太阳能电池的光照特性及试验估测.doc

太阳能电池的光照特性及实验估测 人教版高中物理第二册必修和选修课本都在“闭合电路欧姆定律”一节选用了有关太阳能电池的习题。许多学生套用干电池电动势和内电阻可视为定值的“约定”，误以为太阳能电池也该如此。究竟太阳能电池有怎样的特征?笔者探讨如下，仅供参考。 一、太阳能电池简介 太阳能电池是光电池的一种，它是直接利用光能产生电能的器件。太阳能电池通常用硒、砷化镓、硅等多种材料制成，耳前用得最广的是硅材料制成的硅光电池(目前各种资料给出的多为此种电池的参数)。 实质上，硅光电池就是一个大面积的P-N结，其原理、光谱响应特性与光电二极管相同。早期的硅光电池原材料为单晶硅，大多是用坩锅法拉制出来的，成品率不很高，又要经过掐头去尾、切片、研磨等加工工序，材料损失很大，故造价较高。这种单晶硅太阳能电池的结构如图1所示，是在N型硅片上扩散硼P型层(或在P型硅单晶片上扩散N型杂质制成)。为减少表面对光的反射，在其表面形成了由 SiQ制成的保护膜，并引出正、负电极，形成光电池。 由于硅太阳能电池对所用的硅材料的要求不象晶体管、可控硅器件、集成电路那样严格(即要求杂质及位错少)，所以近几年已经采用多晶硅直接制造太阳能电池(多晶硅又名非晶硅)。图2为采用氢化非晶硅为基底材料的非晶硅太阳能电池的结构图，它以玻璃材料(及多种廉价材料)作衬底，1μm厚的薄层就能有效地吸收阳光(单晶硅太阳能电池则需要25μm以上厚度)。因此，其造价约为单晶硅太阳能电池的50，这样类型的太阳能电池在各方面得到更广泛的应用。 太阳能电池主要用作电源。它特别适用于人造卫星、宇宙飞船(从某种意义上说，太阳能电池的寿命决定了它们的工作寿命)；另外，也适用于无人值守的灯塔、航标灯、山顶电视中继站、气象观测站等用途，也适用于边远农村、牧区、哨卡等野外工作照明用电及生活用电、沙漠地区灌溉用电等。在日常生活中，小型太阳能电池可供计算器、电子表及小型收音机供电等。随着造价的降低，太阳能电池很快向民用普及，一个平均每天用电为8度(KWh)的家庭，只要在房顶放置约5m2的太阳能电池板就可满足供应(日本已进入实用阶段)。太阳能电池作为电源 二、太阳能电池的基本特性 几乎所有的硅太阳能电池的资料都是在300下入射光强度为100mW／cm2的特定条件下测得的，不管是2CR型还是2DR型，其开路电压均在450—600mv范围内，短路电流均在18mA以上。我们把开路电压和短路电流与光照度的关系称为硅光电池的光照特性。 由图3可以看出，开路电压Uoc与照度E在2000Lx(勒克斯)以下呈线性关系，在2000Lx以上开始呈非线性关系。短路电流Isc与照度E呈线性关系，受光照的结面积越大。短路电流也越大，一般在1000Lx照度下2—3mA/cm2范围内。RL不为零时，其线性范围与负载电(如照度计、照相机曝光表等)以及路灯、航标自动控制等装置时，为保证测量的线性关系，应采用较小的负载电阻。 除光照特性外，光电池的参数也会随温度改变而发生变化，但基本上成线性关系。如开路电压的温度系数为(O.3～O.5)%/0C；短路电流的温度系数为O18%/0C。一般允许使用温度范围不大于1000C 另外，技术上还用响应时间来表征光电池对突变光照的反应速度。由于光电池的P-N结面积大，其结电容也大，故其响应时间要比光电二极管慢得多，一般为10-6～10-10S。这是应用于自动控制系统时必须考虑的因素之一。 光电池最大的输出电功率与入射光功率的比值，称为光电池的转换效率。过去认为在理论上，转24%以上，但目前实际上已能达到30上下。今后，随着新型材料的出现，光电池的转换效率有望进一步提高，届时，其应用范围将更为广阔。 三、太阳能电池光照特性的实验估测 实验器材： J2520型太阳能演示器太阳能电池板，它由6片10×90mm玻璃衬底多晶硅电池板串联而成。标称最大开路电压为35V，最大短路电流为50mA。 MF30型万用电表，用直流5V档，内阻约80KI)。 MF47型万用电表，直流O5mA档内阻约600Ω5mA档内阻约65Ω50mA档内阻约10Ω。 ZDS10型自动换档数字式照度计(上海市嘉定学联仪表厂产)。 测试方法： 室内漫反射光可利用纱门开闭程度或塑料的片开闭角度来调节光照度。室外可利用由阳台(或走廊)等阳光不直射处向阳光处过渡来调节光照度。 开路电压用万用表5伏档测量，虽然并非真正开路，但80KΩ的内阻使我们可粗略认为是测量开路电压。为读数方便，开路电压自01伏起按01伏增幅递增至所能达到的最大值。全过程不换档。 短路电流用万用表上述几种档位测量，由于表内阻并非很小，且多次换档，直