太阳能电池特性研究太阳能电池特性研究.doc

太阳能电池特性研究 1．实验目的： 1.熟悉太阳能电池的内部结构和发电原理。 2.懂得太阳能电池的一些特征参数的测量方法。 3.了解影响太阳能电池发电的因素及改善方法。 2. 实验仪器： 一个氙灯光源 电压表 电流表 可调电阻一个 太阳能电池板一个导轨 导线若干根 光具座两个 带有红黑表笔的万能表一个 功率计 3．实验原理： 太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用，通过转换装置转换为电能使用的，属于太阳能发电技术，光电转换装置通常是利用半导体的光伏效应原理来进行光电转换的，因此又称为太阳能光伏技术。它是这样一种器件：当受阳光照射时，在它的内部释放出电荷，这些电荷能在半导体中自由移动，最终流过一个象白炽灯或电动机这样的电负载，以这种方式产生电压电流的现象称为光生伏特效应。 如图表示一个太阳能电池的基本工作情况。光子被半导体吸收并在此过程中产生荷电载流子：电子和空穴。它们向“结”扩散，如图所示的P．n结或其它类型的结扩散，只要它有一个强的内部电场。电子和空穴被电场分离，从而在外电路中产生电压和电流。 在吸收光子的同时，半导体中产生正、负电荷载流子。 这些载流子在p-n结两边聚集并在外电路中引起电流。图中电流为灯泡提供功率”J。 当晶片受光后，PN结中N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。晶片受光过程中带正电的空穴往P型区移动，带负电的电子往N型区移动；晶片受光后负电子从N区负电极流出，空穴从P区正电极流出。如图所示: 晶片受光后电流的形成 太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，光伏电池就是利用这种效应制成的【12】【131。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子．空穴对。这样，光能就以产生电子．空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P．N结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P．N结附近形成与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，N型层带负电，在N区与P区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。 光伏电池发电过程 至今光伏电池已经发展到了第2代。第1代光伏电池包括单晶硅和多晶硅2种，工业化产品效率一般为13％～15％，目前可工业化生产、可获得利润的光伏电池就是指第1代电池。但是由于生产工艺等因素使得该类型的电池生产成本较高。第2代光伏电池是薄膜光伏电池，其成本低于第1代，可大幅度增加电池扳制造面积，但是效率不如第1代。在将来的第3代光伏电池应该具有以下特征：薄膜化、高效率、原材料丰富和无毒性。可望实现的第3代电池效率的途径包括：叠层电池、多带光伏电池、碰撞离化、光子下转换、热载流子电池、热离化、热光伏电池等。【8】 光伏电池材料主要包括：产生光伏效应的半导体材料、薄膜用村底材料、减反射膜材料、电极与导线材料、组件封装材料等。其中用来制作光伏电池所用的半导体材料有元素半导体、化合物半导体和各种固体溶体。从半导体材料使用的形态来看．有晶片、薄膜、外延片。按化学组成及产生电力的方式，光伏电池可分为无机光伏电池、有机光伏电池和光化学电池3大类。按形态分可以分成块状光伏电池和薄膜光伏电池2大类。【7】 光伏电池的制造方法各异，但根据其使用的材料主要有以下几种类型：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铟硒铜电池等，其分类情况如图所示。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机电池等。 光伏电池分类 当一束光照射Np．n结时，短波光子在n区产生电子．空穴对，长波光子在p区产生电子．空穴对，如果所产生的电子．空穴对有足够长的寿命而没仃被复合，那么n区和P区产生的光生少予各自扩散到p．n结的势垒取区附近，被内电场分离。在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离丌势垒区，结果使D区电势升高，n区电势降低，p-n结两端形成光生电动势。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自n区流向p区的光生电流，在P．n结短路情况下构