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《太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用.》.pdf
2009 年增刊 《福建师范大学福清分校学报》
总第96 期 Sum No.96
太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用*
刘银春,陈 雄,魏 芬,何志敏
(福建农林大学机电工程学院,福建福州 350002)
摘 要:介绍太阳电池的物理原理,表征太阳电池特性的物理参数,阐述了大学物理实验中的太阳电池
特性测试仪的结构原理及其实验内容和测试的方法、测试内容,并对实验进行分析总结。
关键词:太阳电池;大学物理实验;光功率计
中图分类号:TM914.4 文献标志码:A 文章编号:1008-3421 (2009)07-0050-05
1 引言
太阳能是一种可再生的清洁、“绿色”能源。目前世界
各国都高度重视太阳能的开发和应用。太阳电池是利用
光伏效应将其所吸收的光子能量转换为电能得器件,也
称光伏电池。太阳电池是太阳能开发和利用的主要方向
之一。光伏产业是一个朝阳产业。我国已成为世界太阳电
池的生产大国,但还不是强国,要实现强国之梦,人才是
关键,教育是基础。因此,在大学物理实验中开设太阳电 图1 典型晶体硅太阳电池的结构图
池基本特性测量实验,有重要的现实意义。
2 太阳电池的物理原理
太阳电池是利用半导体材料的内光电效应把光能转
变为电能的器件。图1 是典型的晶体硅太阳电池的结构
[1]
图 。由图可见,太阳电池是一个半导体异质结,在没有光
照时其特性可视为一个二极管,在没有光照时其通过电
流I 与正向偏压U 的关系式为:
I=I (eBU-1) (1) 图2 光伏效应原理图
0
式中,I0 和β 是常数。
由半导体理论,二极管主要是由能隙为E =E -E 的半导体构成,如图2 所示。E 为半导体导
g C V C
电带,EV 为半导体价电带。
当入射光子能量大于能隙Eg 时,光子会被半导体吸收,产生电子-空穴对,也称光生载流子。由
于热运动电子-空穴对会向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后,立即被内建
电场分离,光生电子被推向N 区,光生空穴被推进P 区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似
为0.在N 区,光生电子-空穴产生后,光生空穴便向P-N 结边界扩散,一旦到达P-N 结边界,便立
即受到内建电场的作用,在电场力作用下作漂移运动,越过空间电荷区进入P 区,而光生电子(多
数载流子)则被留在N 区。同理,P 区中的光生电子也会向会P-N 结边界扩散,并在到达P-N 结边
收稿日期:2009-10-19
作者简介:刘银春(1954-),男,福建南平人,教授,硕士生导师。
* 基金项目:福建省教育厅《福建省大学物理实验教学示范中心》建设项目(2008)
刘银春,陈 雄,魏 芬,何志敏:太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用 51
界后,同样会受到内建电场的作用,在电场力作用下作漂移运动,进入N 区, 而光生空穴(多数载
流子)则被留在P 区。于是在P-N 结两侧产生了正、负电荷的积累,形成与内建电场方向相反的光
生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外,还使P 型层带正电,N 型层带负电,从而产生了
光生电动势,这种现象称为光生伏特效应(简称
光伏)。只要在两个电极间加上负载,回路就有电
流通过。
3 太阳电池特性的物理参数
假设太阳电池的理论模型是由一理想电流
源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极
管、一个并联电阻R 与一个电阻R 所组成,如图
sh s
3 所示。图3 中,Ip
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