大学物理实验太阳能电池伏安特性的测量.docx

实验报告 太阳能电池伏安特性的测量 【实验目的】 了解太阳能电池的工作原理及其应用 测量太阳能电池的伏安特性曲线 【实验原理】 太阳电池的结构 以晶体硅太阳电池为例，英结构示意图如图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m/p同质结的结构，即在约10 cmXlO cm面积的p型硅片（厚度约500 pm）上用扩散法 制作出一层很薄（厚度?0.3 urn）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.在幣个背而也制作金属膜，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，--般在整个表而上再覆盖一层减反射膜. 图一太阳电池结构示意图 图一太阳电池结构示意图 光伏效应 上 时便金产住电—?@PV? 一 上 时便金产住电 —?@ PV? 一 图二 太阳电池发电原理示童图 当光照射在距太阳电池表而很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度 ,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区屮产生的少数载流子由于存在浓度梯度 而要扩散.只耍少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总冇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，正负电荷间形成一电场，电场方 向Itln区指向p区，这个电场称为内建电场.这些扩散到结界血处的少数载流子（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（Photovoltaic Effec【，缩写为PV）. 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区的光生电流心.同 时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流/D,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/为 八―[exp 八―[exp(制-1] (1) 式中VD为结电压，10为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成止比的光生电流，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1~2 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) (2) (3) (3) 当太阳电池的输出端短路时，V = 0 （VD ~ 0）,由（2）式可得到短路电流 即A阳电池的短路电流等丁?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，1 = 0,由（2） 和（3）式可得到开路电压 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般大时，它对应的最大功率Pm为 式屮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 FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈薛.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n定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辎射能Pin Z比，即 X100%图三太阳电池的伏-安特性曲线 X100% 图三太阳电池的伏-安特性曲线 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结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs利相当丁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.Itl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) (7) 为了使太阳电池输出更人的功率，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: 60cm 80cm 80cm串联 80cm并联 电流 电压 功率 电流 电压 功率 电流 电压 功率 电流 电压 功率 1 0.53 112.1 59.41 0 90 0 0.30 62.7 18.81 0.70 140.8 98.56 2 1.49 102.9 153.3 0.43 86.1 37.02 1.87 60.7 113.5 1.70 132.5 225.2 3 2.39 96.2 229.9 1.47 77.2 113.4 3.31 59.3 196.3