实验六太阳电池伏-安特性的测量 太阳电池(Solar Cells),也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件.由 这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方 阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系 统，也称为之光伏发电系统.它具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、 使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点.世界上第一块实用型半导体太 阳电池是美国贝尔实验室于1954年研制的.经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、 开发与产业化己取得巨大进步.目前，太阳电池己成为空间卫星的基本电源和地面无电、 少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源.随着太阳电池 制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电.近年来，在美国和日 本等发达国家，太阳能光伏发电己进入城市电网.从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大 量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达 国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位.因此，太 阳能光伏发电有望成为21世纪的重要新能源.有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏 发电将占世界总发电量的15%~20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有 一定的地位 【实验目的】 1.了解太阳电池的工作原理及其应用 2.测量太阳电池的伏-安特性曲线. 【实验原理】 1.太阳电池的结构 以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图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 np同质结的结构，即在约10cm×10 太阳光 cm面积的p型硅片（厚度约500um) 表面电极 上用扩散法制作出一层很薄（厚度0.3 um)的经过重掺杂的n型层.然后在 减反射膜 n型层上面制作金属栅线，作为正面接 触电极.在整个背面也制作金属膜， n 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 背电极 射损失，一般在整个表面上再覆盖一 pn结 层减反射膜 图】晶体硅太阳电池的结构示意图 2.光伏效应 当光照射在距太阳电池表面很近的p结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁 44
44 实验六 太阳电池伏-安特性的测量 太阳电池（Solar Cells），也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件．由 这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方 阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系 统，也称为之光伏发电系统．它具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、 使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点．世界上第一块实用型半导体太 阳电池是美国贝尔实验室于 1954 年研制的．经过人们 40 多年的努力，太阳电池的研究、 开发与产业化已取得巨大进步．目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、 少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源．随着太阳电池 制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电．近年来，在美国和日 本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网．从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大 量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达 国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位．因此，太 阳能光伏发电有望成为 21 世纪的重要新能源．有专家预言，在 21 世纪中叶，太阳能光伏 发电将占世界总发电量的 15% ~ 20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有 一定的地位． 【实验目的】 1．了解太阳电池的工作原理及其应用； 2．测量太阳电池的伏–安特性曲线． 【实验原理】 1．太阳电池的结构 以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图 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 n + /p 同质结的结构，即在约 10 cm×10 cm 面积的 p 型硅片（厚度约 500 µm） 上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3 µm）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．在整个背面也制作金属膜， 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，一般在整个表面上再覆盖一 层减反射膜． 2．光伏效应 当光照射在距太阳电池表面很近的 pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁 太阳光 减反射膜 表面电极 背电极 pn 结 p n 图 1 晶体硅太阳电池的结构示意图
带宽度Eg,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区中 产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散.只要少数载流子离p结的距离小于它的扩 散长度，总有一定几率扩散到结界面处.在p区与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，电场方向由n区指向p区， 这个电场称为内建电场.这些扩散到结界面处的少数载流子（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p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p结上产生一个光生电动势.这一现象称 为光伏效应(Photovoltaic Effect,.缩写为PV). 3.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，将产生一个由区到p区的 光生电流Ih·同时，由于p结二极管的特性，存在正向二极管电流D,此电流方向从P 区到区，与光生电流相反.因此，实际获得的电流I为 I=Im -Ip=Im- (1) 式中'6为结电压，1为二极管的反向饱和电流，Ih为与入射光的强度成正比的光生电流， 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，阳为波尔茨曼常数，T为温度， 如果忽略太阳电池的串联电阻R,'。即为太阳电池的端电压，则(1)式可写为 =1 (2) 当太阳电池的输出端短路时，V=0(%≈0)，由(2)式可得到短路电流 I=Iph (3) 即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比.当太阳电池的输出端开路 时，【=0，由(2)和(3)式可得到开路电压 (4) 45
45 带宽度 Eg ，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 区中 产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离 pn 结的距离小于它的扩 散长度，总有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，电场方向由 n 区指向 p 区， 这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（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 Effect, 缩写为 PV）． 3．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 Iph．同时，由于 pn 结二极管的特性，存在正向二极管电流 ID，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 I 为 ú ú û ù ê ê ë é - ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = - = - exp 1 0 nk T qV I I I I I B D ph D ph （1） 式中 VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph 为与入射光的强度成正比的光生电流， 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 ú ú û ù ê ê ë é - ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = - exp 1 0 nk T qV I I I B ph （2） 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 sc ph I = I （3） 即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路 时，I = 0，由（2）和（3）式可得到开路电压 ÷ ÷ ø ö ç ç è æ = ln +1 0 I I q nk T V B sc oc （4）
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最大时，它对应的最大功率Pm为 Pa=IV (5) 式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将'与Isc的乘积与最大功率Pm之 比定义为填充因子FF,则 FF= P。-'ln (6) Voelse Voele FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高.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)定义为太阳电池的最大 输出功率与照射到太阳电池的总辐射能P之比， 即 1= =x100% (7) Rm 4.太阳电池的等效电路 Vm Voe 太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太 图2太阳电池的伏-安特性曲线 阳电池的电极等引起的串联电阻R和相当于pn结 泄漏电流的并联电阻Rh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.由 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 +RI I= V+RI ex (8) nkgT 为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻R,增大并联电阻R: 【实验仪器】 1.太阳能光伏组件，功率为5瓦. 2.辐射光源，300瓦卤钨灯. 3.数字万用表，2个. 4.,可变电阻2个，接线板 46
46 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最大时，它对应的最大功率 Pm为 m mVm P = I （5） 式中 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 oc sc m m oc sc m V I V I V I P FF = = （6） FF 为太阳电池的重要表征参数，FF 愈大则输出的功率愈高．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h 定义为太阳电池的最大 输出功率与照射到太阳电池的总辐射能 Pin 之比， 即 = ´100% in m P P h （7） 4．太阳电池的等效电路 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和相当于 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．由 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 sh s B s ph R V R I nk T q V R I I I I + - ú ú û ù ê ê ë é - þ ý ü î í ì + = - 1 ( ) exp 0 （8） 为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻 Rs，增大并联电阻 Rsh． 【实验仪器】 1．太阳能光伏组件，功率为 5 瓦． 2．辐射光源，300 瓦卤钨灯． 3．数字万用表，2 个． 4．，可变电阻 2 个，接线板． Vm Voc Im Isc I V Rm 1 图 2 太阳电池的伏–安特性曲线
【实验内容】 Rs 1.将太阳能光伏组件，数字万用表，负 载电阻通过接线板连接成回路，改变负载电阻 R,测量流经负载的电流I和负载上的电压V, R 即可得到该光伏组件的伏-安特性曲线.测量 过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不 变，以保证整个测量过程是在相同光照强度下 进行的。 图3太阳电池的等效电路 2.分别测量以下几种条件下光伏组件的 伏安特性曲线： (1)辐射光源与光伏组件地距离为60cm: (2)辐射光源与光伏组件地距离为80cm: (3)辐射光源与光伏组件地距离为80cm,将两组光伏组件串联： (4)辐射光源与光伏组件地距离为80cm:,将两组光伏组件并联. 3.用坐标纸或计算机绘图软件画出不同条件下： (1)光伏组件的伏-安特性曲线：(2)光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化： (3)光伏组件的输出功率P随负载电阻R的变化.确定不同条件下光伏组件的短路电流 Ic,开路电压'oc,最大功率Pm,最佳工作电流Im、工作电压Vm及负载电阻Rm,填充因 子FF,并将这些实验数据列在一表格内进行比较. 【注意事项】 1.辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触。 2.辐射光源的供电电压为220V,应小心触电. 47
47 【实验内容】 1．将太阳能光伏组件，数字万用表，负 载电阻通过接线板连接成回路，改变负载电阻 R，测量流经负载的电流 I 和负载上的电压 V， 即可得到该光伏组件的伏–安特性曲线．测量 过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不 变，以保证整个测量过程是在相同光照强度下 进行的． 2．分别测量以下几种条件下光伏组件的 伏-安特性曲线： （1）辐射光源与光伏组件地距离为 60 cm； （2）辐射光源与光伏组件地距离为 80 cm； （3）辐射光源与光伏组件地距离为 80 cm，将两组光伏组件串联； （4）辐射光源与光伏组件地距离为 80 cm；，将两组光伏组件并联． 3．用坐标纸或计算机绘图软件画出不同条件下： （1）光伏组件的伏–安特性曲线；（2）光伏组件的输出功率 P 随负载电压 V 的变化； （3）光伏组件的输出功率 P 随负载电阻 R 的变化．确定不同条件下光伏组件的短路电流 Isc，开路电压 Voc，最大功率 Pm，最佳工作电流 Im、工作电压 Vm及负载电阻 Rm，填充因 子 FF，并将这些实验数据列在一表格内进行比较． 【注意事项】 1．辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触． 2．辐射光源的供电电压为 220V，应小心触电． Rs Iph D Rsh 图 3 太阳电池的等效电路