1、太阳能电池特性测量实验报告竭诚为您提供优质文档/双击可除太阳能电池特性测量实验报告篇一：实验报告-太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名：张伟楠班级：F0703028学号：5070309108实验成绩：同组姓名：张家鹏实验日期：08.03.17指导教师：批阅日期：太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm10cm面积的p型硅片（厚度约500m）上用扩散法制作出一层很薄（
2、厚度0.3m）的经过重掺杂的n型层然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极这样就形成了晶体硅太阳电池为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜图一太阳电池结构示意图2光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子空穴对那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区在耗尽区中
3、，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区结区内产生的电子空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势这一现象称为光伏效应（photovoltaiceffect,缩写为pV）3太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流I
4、ph同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反因此，实际获得的电流I为（1）式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在12之间q为电子电荷，kb为波尔茨曼常数，T为温度如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为（2）当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比当太阳电池的输出端开路时，I=0，
5、由（2）和（3）式可得到开路电压（3）当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏安特性曲线如图2所示负载R可以从零到无穷大当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率pm为（4）式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压将Voc与Isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子FF，则（5）FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等太阳电池的转换效率定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能pin之比，即（6）图三太阳电池的伏安特性曲线4太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二
6、极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh【实验数据记录、实验结果计算】实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：表11.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线2.各个条件下，光伏组件的输出功率p随负载电压V的变化【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：
7、1.光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界）；2.研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；3.研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界），光照强度越大，电池的电阻越大。4.研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流），电池的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联的原因）；光照强度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越小（从太阳能
8、电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从而决定了短路电流和电动势的大小）。各个条件下输出功率p随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论1.虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成功的，因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。篇二：太阳能电池特性测量实验本科学生实验报告学号姓名学院物电学院专业、班级12级光电子班实验课程名称太阳能电池特性测量实验教师及职称开课学期学期填报时间日云南师范大学教务处编印一、实验设计方案篇三：太阳能电池基本特性的测量太阳能电池基本特性的测量*，物理学系摘要：本实验旨在测量、验证太阳能电池的一系列
9、物理特性。测量无光照条件下太阳能电池在正向偏压条件系下的伏安特性，推导并拟合了其特性曲线及发射系数，并试图用太阳能电池的理论模型来解释其伏安特性的分段性质。同时笔者还解释了在固定光强下太阳能电池的负载特性，推算出了1000lux下的填充因子。并且利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。最后，使用不同滤色片滤光并测量对应太阳能电池短路电流，从而推算其禁带宽度。关键词：太阳能电池伏安特性发射系数填充因子禁带宽度measurementofthebasiccharacteristicsofsolarcellsYixiongKe,DepartmentofphysicsAbstarct：Thise
10、xperimentisaimedtoverifythebasiccharacteristicsofsolarcells.Theauthorhavemeasuredthevoltagecharacteristicofthesolarcellwithoutanyillumination.basedonthesedata,theauthoralsohavecalculatedtheemissioncoefficient,andtriedtoexplainthesamephysicsnatureunderthedifferentqualityindividedsection.Inaddition,th
11、eloadcharacteristicandthefillingfactorofthesolarcell,underfixedlightintensity,hasalsobeenmeasured.similarly,bymeasuringtheelectricpropertieswithcolorfiltersandphotometers,theforbiddenbandwidthofthesolarcellhasbeencalculatedaswell.Keywords:solarcellsvoltagecharacteristicemissioncoefficientfillingfact
12、orforbiddenbandwidth1一、引言太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等诸多优点。由于可以直接利用太阳光产生电能，它从其概念诞生以来就一直受到了热切的关注。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.e.becquerel发现。1883年第一块太阳电池由charlesFritts制备成功，虽然器件只有1%的效率。而今太阳能电池的转换效率被一次次地刷新，用途也在不断拓展。除了利用太阳能直接发电，它还可以用作为光信号探测器，在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。因此对于其工作性能的了解有着重要意义。二、实验原
13、理1.太阳能电池的主要结构为pn结。根据理论分析，pn结正向偏压下的伏安特性可由下式给出?=?0?1（1）式中，Id为流过pn结的电流，I0是无光照时的反向饱和电流，V是pn结上的电压，e是电子电荷，k是玻尔兹曼常量，T为热力学温度，n为发射系数，它与pn结的材料结构有关系，其值在1和2之间。太阳能电池的理论模型是由一理想电流源、一个理想pn结、一个并联电阻?与一个电阻?所组成，如图1所示。其中?为体电阻、?为接触电阻。由基尔霍夫定律得：I?+?=0(2)代入（1）式可得u+?0?(?+?)（3）?1=有光照的，太阳能电池直流模型。由基尔霍夫定律得：I?+?=0(4)?为漏电流的等效电阻，对于
14、小面积的太阳能电池?的典型值为1031062对于硅太阳能电池一般有?1（5）?u趋于0V时，有I=?+?1+?1?=?=?6）?可见，只要的u趋于0V的伏安特性曲线即可估算?的值。2.当光照射在太阳能电池表面的pn结上时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则光子将被太阳能电池吸收而产生电子-空穴对。以恒定速率产生的电子-空穴对提供了通过结的电流。太阳能电池输出的净电流I是光生电流Iph和两极管电流Id之差，即?=?=?0?1当太阳能电池的输出端短路时，即V=0，由上式可得到短路电流Isc=Iph;当太阳能（7）电池的输出端开路时，即I=0，可测得开路电压uoc。正常运行时，Iph比I
15、0高几个数量级，因此上式中的1可以忽略。3.填充因子FF是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，其可表示为太阳能电池的最大输出功率pmax和uoc与Isc之积的比，即?=?（8）其中uoc为太阳能电池的开路电压，Isc为太阳能电池的短路电流。4.能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以使太阳能电池产生光电流，其大小为?0?0?,?0?0?0其中?为滤色片截止波长，?0为禁带宽度对应波长，?为波长为?的入射光子数，（9）?为光谱仪测得的光强分布，?为光谱仪的响应函数，?为滤色片的透射光谱，?0?为光谱仪原配白炽灯光谱，?0?为照射太阳能电池的白炽灯光谱，?,?为光谱功率分布，可由普朗克公式给出，?为测
16、定响应函数时的光强分布。三、实验装置及过程1.将万用表直接连在太阳能电池的两端，粗略测量太阳能电池的开路电压uoc和短路电流Isc，以确定后续测量时的注意事项。32.在正向偏压范围大约为013V范围内，用图一所示装置仔细测量太阳能电池的正向伏安特性。利用测得的数据，画出IV曲线，验证在没有光照情况下太阳能电池的正向偏压与电流之间的关系满足pn结经验公式，并拟合曲线求出发射系数n的值。3.在不加偏压并固定光强的情况下，首先测量太阳能电池的开路电压uoc以及短路电流Isc。改变接入电路的电阻箱阻值R，测量太阳能电池输出电压与输出电流的关系并计算相应的功率p，并作出pR关系图，根据图线求出太阳能电池
17、的最大功率pm及最大输图2光照下负载特性测量图1无光照伏安特性测量出功率时所对应的负载电阻R0。用所得数值计算填充因子FF。4.利用照度计选取比较符合光强J与距离s成平方反比关系的一段距离，通过改变太阳能电池与光源距离来改变入射于太阳能电池上光束的光强，并测量其开路电压uoc和短路电流Isc，拟合并研究之间的函数关系。5.使用光谱仪测量滤色片出射光光谱，改变光照强度J，测量几组不同光强下光电流和截止波长的关系，推出光电流为零时的截止波长?0，可由光子能量与波长关系e=?得到实测太能电池的禁带宽度。实际所用实验器材型号：附接线的盒装太阳能电池3号数字式万用电表（3位半）2台uT39A直流稳压电源
18、（0-20V）1台QJ20XXA1号电阻箱1只Zx21A型直流电阻器10号白炽灯1个gY-6A型phILIps2s230V4图3太阳能电池光照特性测量光具座1根及配套的底座和支架sgw-1型编号111109330滤色片1号组四、实验结果1.粗略测量太阳能电池的开路电压uoc和短路电流Iscocsc根据粗测的数值，我们可以看到，在无光照时太阳能电池是没有短路电流产生的，此时的开路电压值被认为是测量误差，则我们在验证其无光照下伏安特性的时候，可以不必考虑其本身是否产生电势差；在有光照条件下，短路电流都保持在一个不大的范围之内，说明我们在实验中不必加入保护电阻即可直接进行测量。2.在无光照条件下，测
19、量太阳能电池被施以正向偏压时的伏安特性正向偏压在013V范围内以步长为约0.25V进行取点测量，直接测量所得的数据是串联的8块太阳能板的总电压，则一块太阳能板的电压为测量值的八分之一，代入此数据进行拟合。作出uI图像如下：可以看到，在电压u较小的情况下（u6V），描点所得的为一条曲线，而在电压较大的情况下描点所得的为一根直线。若精细比对我们还可以发现在8V以上的图线斜率一致，而在68V区间斜率较小一些，认为是一个由指数关系转为线性关系的过渡状态，取ln(I)在03.5V范围内线性拟合，相关系数为0.99962，符合得较好，拟合所得的斜率k0为19.440.01，T=288.7K。由公式（1）我们可以推得关系式：ln?(?)=ln?0+即斜率?0=?5?
