实验十六光折变晶体光折变特性.doc

实验十九 太阳能电池特性测试 太阳能是最重要再生能源，生物质能、风能、水能等都来自太阳能。太阳能发电方式有两种一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称太阳能光伏技术光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力但稳定性不高，直接影响了实际应用太阳能电池的应用已从军事、航天领域进入工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门，尤其在分散边远地区、高山、沙漠、海岛和农村使用目前，中国已成为全球主要的太阳能电池生产国长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 二、实验原理 （1）太阳能电池板结构 以硅太阳能电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成，在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 （2）光伏效应 当光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。 （3）太阳能电池的特性参数 太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为 1 是二极管的反向饱和电流，称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常为1。是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令） 当太阳能电池短路时，我们可以得到短路电流为ISC，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为UOC。 当太阳能电池接上负载R时，所得到的负载U-I特性曲线如（图二）所示，负载R可从零至无穷大，当负载为Rm时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为Pm： Pm Im×Um 2 上式中Im和Um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将Voc与Isc的乘积与最大输出功率Pm之比定义为填充因子FF： 3 FF为太阳能电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。 太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能Pin之比，即 4 图2 太阳能电池的伏—安特性曲线 三、实验仪器及用具 THQTN-1型 太阳能电池特性测试实验仪。 四、实验内容与步骤 （1）测量太阳能电池无光照时的伏安特性（直流偏压从0~2V） 连接测量电路如图3所示： 图3 利用测得的正向偏压时I—U关系数据，画出I—U曲线。 （2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性 4片串联负载特性更明显 。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm之后。 图4 （a）测量短路电流、开路电压和入射光强J。 （b）测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。 （c）求太阳能电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。 （d）计算填充因子： （e）计算转换效率： （3）电池的串联和并联 电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。 数据处理 光功率Pin为单位面积的入射光强J×太阳能电池有效面积； 本实验仪所用太阳能电池单片有效面积为2060mm2； 表格自拟。 五、实验思考与讨论 什么是光伏效应？ 桑野幸德著；钟伯强，马英仁译太阳电池及其应用杨德仁 编著太阳电池材料――电池材料与应用系列 化学工业出版社 1 1 图1 太阳能电池板结构示意图