实验13硅光电池的特性及其应用 引言 随着全球对能源的需求日益增长，人类己面临着两大难题：一是地球上储量有限的燃料 资源而引发的能源危机：二是以煤等化石燃料的大量燃烧所排放的CO2和S02气体，导致 的环境污染和温室效应，使人类的生存环境不断恶化。加速发展清洁而可再生的太阳能， 降低温室气体排放量，己成为全球的共识。许多国家都把光伏发电作为优先发展项目，美 国、希腊等国均已建成多座兆瓦级阳光电站，并启动了“屋顶光伏”计划，即以家庭为单 位进行安装阳光发电。我国将在2020年前建成五座兆瓦级阳光电站，到本世纪中叶，太阳 能发电将占整个能源供应的30%，至本世纪末这比例将上升到70%。专家们早在十多年前 就预言：光伏是21世纪高新技术发展的前沿之一，预测在本世纪中叶，光伏发电将成为重 要的发电技术之一，作为阳光电站的基石 一太阳能电池，目前占主流的还是硅系列（单 晶、多晶和非晶)太阳能电池。 本实验以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解硅光电池的机理，学习和掌握测量 短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。 二、实验目的 1、初步了解硅光电池机理 2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系 3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 三、实验原理 在P型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n结（如图1），由于光照，在A、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停 止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。利 用它制成的元器件称之为硅光电池。光伏效应最重大的应用 是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研 究和开拓应用的课题。 从光伏效应的机理可知（见附录），硅光电池输出的 电流I,是光生电流1，和在光生电压V,作用下产生的pn结正 向电流1之差，即1，=Ip-I。根据p-n结的电流和电压关 图1光伏效应结构示意图 (硅光电池模型) 1=1,(er.) 式中V。是光生电压，1、为反向饱和电流，所以输出电流
1 图 1 光伏效应结构示意图 （硅光电池模型） 实验 13 硅光电池的特性及其应用 引言 随着全球对能源的需求日益增长,人类已面临着两大难题：一是地球上储量有限的燃料 资源而引发的能源危机；二是以煤等化石燃料的大量燃烧所排放的 CO2和 SO2 气体，导致 的环境污染和温室效应，使人类的生存环境不断恶化。加速发展清洁而可再生的太阳能， 降低温室气体排放量，已成为全球的共识。许多国家都把光伏发电作为优先发展项目，美 国、希腊等国均已建成多座兆瓦级阳光电站，并启动了“屋顶光伏”计划，即以家庭为单 位进行安装阳光发电。我国将在 2020 年前建成五座兆瓦级阳光电站，到本世纪中叶，太阳 能发电将占整个能源供应的 30%，至本世纪末这比例将上升到 70% 。专家们早在十多年前 就预言：光伏是 21 世纪高新技术发展的前沿之一，预测在本世纪中叶，光伏发电将成为重 要的发电技术之一，作为阳光电站的基石——太阳能电池，目前占主流的还是硅系列（单 晶、多晶和非晶）太阳能电池。 本实验以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解硅光电池的机理，学习和掌握测量 短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。 二、实验目的 1、初步了解硅光电池机理 2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系 3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 三、实验原理 在 P 型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的 p-n 结（如图 1），由于光照，在 A 、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停 止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。利 用它制成的元器件称之为硅光电池。光伏效应最重大的应用 是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研 究和开拓应用的课题* 。 从光伏效应的机理可知（见附录），硅光电池输出的 电流 L I 是光生电流 P I 和在光生电压VP 作用下产生的p-n结正 向电流 F I 之差，即 L P F I I I 。根据 p-n 结的电流和电压关 系 F I = S I （ kT qVP e - 1) 式中VP 是光生电压， S I 为反向饱和电流 ，所以输出电流
=-4e0 此即光电流表达式。通常1>1s,上式括号内的 1可忽略。 对于硅光电池有外加偏压时，(1)式应改为 i=1,+1=1t1,(e面.) (2 上式中1，(e灯.)，就是p-n结在外加偏压V作用 下的电流。图2中的(a)b)两条曲线分别表示无光照和有 光照时硅光电池的V特性，由此可知，硅光图2硅光电池的伏安特性 电池的伏安特性曲线相当于把p-结的伏安特性曲线向 下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了'c和1c。 实验表明：在V=O情况下，当硅光电池外接负载电阻R,其输出电压和电流均随R,变 化而变化。只有当R,取某一定值时输出功率才能达到最大值P，即所谓最佳匹配阻值 R,=R6,而Rn则取决于太阳能电池的内阻R='。因和I均随光照强度的增强而 增大，所不同的是'c与光强的对数成正比，Ix与光强（在弱光下）成正比，所以R亦随光 强度变化而变化。如图3所示。Vc、Ix和R,都是太阳能电池的重要参数，最大输出功 率P和Voc与1c乘积之比 FF-Voclsc Pm (3) FF是表征硅光电池性能优劣的指标，称为填充因子。 硅光电池的等效电路（如图4），在一定负载电阻R,范围内可以近似地视为一个电流源 Is与内阻R,并联，和一个很小的电极电阻R串联的组合。 ↓oc、Isc Voc 米0 图3开路电动势、短路电流 图4硅光电池等效电路 与光强关系曲线
2 L I = P I – S I ( kT qVP e - 1) (1) 此即光电流表达式。通常 P I >> S I ，上式括号内的 1 可忽略。 对于硅光电池有外加偏压时，（1）式应改为 I L ' = L I + I = L I + S I ( kT qV e - 1) （2） 上式中 S I ( kT qV e - 1)，就是 p-n 结在外加偏压 V 作用 下的电流。图 2 中的(a)(b)两条曲线分别表示无光照和有 光照时硅光电池的 I-V 特性，由此可知，硅光 图 2 硅光电池的伏安特性 电池的伏安特性曲线相当于把 p-n 结的伏安特性曲线向 下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了VOC 和 SC I 。 实验表明：在V =0 情况下，当硅光电池外接负载电阻 RL ，其输出电压和电流均随 RL 变 化而变化。只有当 RL 取某一定值时输出功率才能达到最大值 Pm ，即所谓最佳匹配阻值 RL RLB ，而 RLB则取决于太阳能电池的内阻 Ri= SC OC I V 。因VOC 和 SC I 均随光照强度的增强而 增大，所不同的是VOC 与光强的对数成正比， SC I 与光强(在弱光下)成正比 ，所以 Ri 亦随光 强度变化而变化。如图 3 所示。VOC 、 SC I 和 Ri 都是太阳能电池的重要参数，最大输出功 率 Pm和VOC 与 SC I 乘积之比 FF= VocIsc Pm (3) FF 是表征硅光电池性能优劣的指标 ，称为填充因子 。 硅光电池的等效电路(如图 4)，在一定负载电阻 RL 范围内可以近似地视为一个电流源 PS I 与内阻 Ri 并联，和一个很小的电极电阻 RS 串联的组合。 图 3 开路电动势、短路电流 与光强关系曲线 图 4 硅光电池等效电路
实验仪器 本实验仪分五个部分 TK-PV1型光伏效应实验仪 PV装置（光源和光伏电池 天科教仪 )-20mA可调恒流源 IL、1G、Ve显示器 微安计 8888 B888 8888 心-1阿调稳压源 -0-2000 0-100 取样 DC0-1V- In编出 234 5 粗调 R/R I0调节 调节 细调 动能切换 1调节 图5实验仪 I、PV装置 PV装置是一个内设光源和待测试样的暗箱，如图6所示。试样装在右侧箱壁，设 有红、黑两个接线孔。红色对应于光生电压正极。光源装在一圆管的前端，并固定在 左右、上下可调的标尺上，以调节光源与试样的距离和试样表面光照度。箱顶部设有 观察窗，便于检查光源工作正常与否。逆时针水平旋动观察窗手柄为开启。注意：操 作时只许轻轻水平拨动手柄，严禁朝下按压手柄。 LED的电源输入端设有多个驱动插孔，其中黑色为电源公共端，其他红、绿、蓝 接口分别对应R、G、B光
3 实验仪器 本实验仪分五个部分 图 5 实验仪 1、 PV 装置 PV 装置是一个内设光源和待测试样的暗箱，如图 6 所示。试样装在右侧箱壁，设 有红、黑两个接线孔。红色对应于光生电压正极。光源装在一圆管的前端，并固定在 左右、上下可调的标尺上，以调节光源与试样的距离和试样表面光照度。箱顶部设有 观察窗，便于检查光源工作正常与否。逆时针水平旋动观察窗手柄为开启。注意：操 作时只许轻轻水平拨动手柄，严禁朝下按压手柄。 LED 的电源输入端设有多个驱动插孔，其中黑色为电源公共端，其他红、绿、蓝 接口分别对应 R、G、B 光
观察应 太阳能输出端 光源距动电流输入端 图6PV装置 暗箱内三色LED发光管和太阳能电池示意图如图3所示： ⊕南 端 图7暗箱内光源与太阳能电池示意图 2、LED驱动电流源 提供LED驱动电流1。，由I。调节和显示两部分组成，位于实验箱的左边。I。的调 节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在1n输出较高时起作用（如1n显示为1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋使其稳定)。1。输出的红、黑 两插孔分别与PV装置的光源驱动输入端对应连接。仪器设定LED的工作电流调节范 围为0-20mA,对应显示器上的数值为0-2000。 3、功能切换开关 功能切换开关位于实验箱右边，分别有1c、V三档。1。（微安表）只在测 量1x时开启，当测量I,和Vx时1。（微安表）将被自动关闭。 4、DC0-1V稳压源 0-1V可调电压源位于实验箱的最右边，在测量1时作为外加电源。当1一测量结 束时关闭该电源的输出。 5、电阻箱 电阻箱位于实验箱的中部，其量程为999.999水Q。在测量1x时该电阻箱作为平衡电阻R 使用，在测量太阳能电池输出性能实验时作为可调的外接负载R,使用。 实验内容
4 图 6 PV 装置 暗箱内三色 LED 发光管和太阳能电池示意图如图 3 所示： 图 7 暗箱内光源与太阳能电池示意图 2、LED 驱动电流源 提供 LED 驱动电流 DI ，由 DI 调节和显示两部分组成，位于实验箱的左边。 DI 的调 节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在 DI 输出较高时起作用（如 DI 显示为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋使其稳定）。 DI 输出的红、黑 两插孔分别与 PV 装置的光源驱动输入端对应连接。仪器设定 LED 的工作电流调节范 围为 0-20mA ，对应显示器上的数值为 0-2000 。 3、功能切换开关 功能切换开关位于实验箱右边，分别有 SC I 、 L I 、VOC 三档。 0 I （微安表）只在测 量 SC I 时开启，当测量 L I 和VOC 时 0 I （微安表）将被自动关闭。 4、DC 0~1V 稳压源 0~1V 可调电压源位于实验箱的最右边，在测量 SC I 时作为外加电源。当 SC I 测量结 束时关闭该电源的输出。 5、电阻箱 电阻箱位于实验箱的中部，其量程为 999.999K 。在测量 SC I 时该电阻箱作为平衡电阻 R 使用，在测量太阳能电池输出性能实验时作为可调的外接负载 RL 使用。 实验内容
1、光强调节与强度的表示 本实验所用光源为LED(发光二极管)，根据LED的输出功率与驱动电流呈线性关系， 利用改变LED的静态工作电流确定光强的相对值。仪器设定LED的工作电流调节范围为 0-20mA,对应显示器上的数值为0-2000。也可用“归一”法表示光强，即设J.为最大光 强，J为改变后的光强，则J1J为无量纲的相对光强。 2、标尺的设定 为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向可调 的标尺。选择三色发光管中任一颜色光源，接通LED驱动电源，调节I。指示为10O0左右， 功能切换开关置Voc档。将水平标尺调到10mm左右；再调垂直标尺，使开路电压Voc达到 最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色LED的发光中心不 在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。 3、LED驱动电流源粗调和细调旋钮的使用 I,的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在I。输出较高时起作用，如1，显 示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。 4、测量开路电动势Vx与光强I。的关系 测量线路如图8所示。将功能切换开关打到V档，然后将面板上V(毫伏表)正、负 输入端与PV装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。按实验所需光源颜色，接通LED 驱动电源。并调节标尺找到实验最佳工作状态。 调节1。=0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于PV装置不完全密封（如导线 的入口处)，有光线漏进装置中，使得V显示不为0，实验时应将此数值记录下来，并在数 据的后继处理时将其减去。 调节In测量不同光强下，太阳能电池的开路电动势Vc,将数据记入表1，并绘制Voc~ Ip曲线。 0-0 图8测最开路电压Voc线路图 5、短路电流1x的测量
5 1、光强调节与强度的表示 本实验所用光源为 LED(发光二极管)，根据 LED 的输出功率与驱动电流呈线性关系， 利用改变 LED 的静态工作电流确定光强的相对值。仪器设定 LED 的工作电流调节范围为 0-20mA ，对应显示器上的数值为 0-2000 。也可用“归一”法表示光强，即设 m J 为最大光 强， J 为改变后的光强，则 J / m J 为无量纲的相对光强。 2、 标尺的设定 为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向可调 的标尺。选择三色发光管中任一颜色光源，接通 LED 驱动电源，调节 DI 指示为 1000 左右， 功能切换开关置VOC 档。将水平标尺调到 10mm 左右；再调垂直标尺，使开路电压V OC 达到 最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色 LED 的发光中心不 在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。 3、 LED 驱动电流源粗调和细调旋钮的使用 DI 的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在 DI 输出较高时起作用，如 DI 显 示为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。 4、测量开路电动势VOC 与光强 DI 的关系 测量线路如图 8 所示。将功能切换开关打到VOC 档，然后将面板上VOC (毫伏表)正、负 输入端与 PV 装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。按实验所需光源颜色，接通 LED 驱动电源。并调节标尺找到实验最佳工作状态。 调节 DI = 0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于 PV 装置不完全密封（如导线 的入口处），有光线漏进装置中,使得VOC 显示不为 0，实验时应将此数值记录下来，并在数 据的后继处理时将其减去。 调节 DI 测量不同光强下，太阳能电池的开路电动势VOC 。将数据记入表 1,并绘制VOC ～ DI 曲线。 5、短路电流 SC I 的测量 图 8 测量开路电压VOC 线路图
测量线路图如图9所示。将功能切换开关打到1档：调节DC0-1V电源U,输出，使 微安表读数1。为10.00-18.00μA(建议取10.00μA)。 在某一光强I。下，改变可调电阻R,使流过检流计(G)的电流I。为零。此时AB两 点之间和AC两点之间的电压应相等，即VB=Vc·因而IR=Ioo,即短路电流 11贤 为微安计内阻，为10KQ) G 图9测量短路电流Ic线路图 测量不同光强下，短路电流Ix与光强I。的关系，将数据记入表2，并绘制1c~1。曲 线。 6、按下式求出太阳能电池的内阻R,并绘制R~I。曲线（自拟表格）。 7、流过负载电流1，与负载两端电压V,关系测量 选择三色LED中任意一种光源进行实验。 测量线路如图10所示。R为实验仪上标示的1取样电阻，为10KQ:R为电阻箱： 将取样电阻R(正、负记号端)与1，（微安表）正、负端对应连接，功能切换开关打 到1，档。 太阳能电池在恒定光照下（取I。约为1000），测量在不同负载电阻R,时流过的电流，与 输出电压V,=1,R,将数据记入表3，并绘制1，~V,曲线。 计算 1P=V2I,并 0 的RB及 图10负载特性测量线路图 图11光电流与负载电阻 两端电压关系曲线
6 测量线路图如图 9 所示。将功能切换开关打到 SC I 档；调节 DC 0-1V 电源US 输出，使 微安表读数 0 I 为 10.00-18.00A（建议取 10.00A）。 在某一光强 DI 下，改变可调电阻 R ，使流过检流计（G）的电流 GI 为零。此时 AB 两 点之间和 AC 两点之间的电压应相等,即VAB =VAC 。因而 I R= 0 0 I r ,即短路电流 SC I = I = R I r0 0 (r0 为微安计内阻，为 10K) 测量不同光强下，短路电流 SC I 与光强 DI 的关系，将数据记入表2，并绘制 SC I ～ DI 曲 线。 6、按下式求出太阳能电池的内阻 Ri ，并绘制 Ri ~ DI 曲线（自拟表格）。 SC OC i I V R 7、流过负载电流 L I 与负载两端电压VL 关系测量 选择三色 LED 中任意一种光源进行实验。 测量线路如图 10 所示 。 * R 为实验仪上标示的 L I 取样电阻，为 10 KΩ；RL 为电阻箱 ； 将 L I 取样电阻 * R （正、负记号端）与 L I （微安表）正、负端对应连接 ，功能切换开关打 到 L I 档 。 太阳能电池在恒定光照下(取 DI 约为 1000)，测量在不同负载电阻 RL 时流过的电流 L I 与 输出电压VL = LRL I ,将数据记入表 3，并绘制 L I ~VL 曲线 。 计算不同负载电阻下输出功率 P，即 P=VL L I ，并绘出 P ~ RL 曲线 ，确定 Pm时的 RLB 及 图 9 测量短路电流 SC I 线路图 图 10 负载特性测量线路图 图 11 光电流与负载电阻 两端电压关系曲线
流无因子F·品 思考题 1、开路电压Vc、短路电流Ic如何随光强而变化？为什么开路电压Voc(硅)的最大值 不超过0.6V？你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？ 2、测量Ic时，若I。不为零，如何根据I。的正、负号，确定增减R阻值，如I。为负是加 大R还是减小R。 3、为什么图2曲线b相对于曲线a是向下而不是向上平移？并分析当太阳能电池作为光 控制器件使用时，应如何选择偏压方向？ 4、试就本实验测定Ic的方法与用图2伏安特性曲线确定Ic的方法，进行讨论
7 填充因子 FF OC SC m V I P 。 思考题 1、开路电压VOC 、短路电流 SC I 如何随光强而变化？为什么开路电压VOC（硅）的最大值 不超过 0.6V？你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？ 2、测量 SC I 时，若 GI 不为零，如何根据 GI 的正、负号，确定增减 R 阻值，如 GI 为负是加 大 R 还是减小 R。 3、为什么图 2 曲线 b 相对于曲线 a 是向下而不是向上平移？并分析当太阳能电池作为光 控制器件使用时，应如何选择偏压方向？ 4、试就本实验测定 SC I 的方法与用图 2 伏安特性曲线确定 SC I 的方法，进行讨论