第24卷第11期 物理实验 2004年11月 PHYSICS EXPERIMEN TATION NoY 2004 太阳能电池基本特性测定实验 茅倾青,潘立栋,陈骏逸,陆申龙 (复旦大学物理系,上海200433) 摘要:对传统的“太阳能电池伏安特性测量”实验进行改进,利用光功率测定仪和滤色片,定量分析在不同光强照 射下以及在不同截止波长的光照射下,太阳能电池特性参量的变化规律,并测量了半导体材料的禁带宽度 关键词:太阳能电池;开路电压;短路电流;填充因子;禁带宽度 中图分类号:O472.3 文献标识码:A 文章编号:10054642(2004)11000-03 引言 I= IPh- Id=IPh-lo/exp nk刀 太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究当太阳能电池的输出端短路时,即U=0.由(2 是21世纪的热门课题许多国家正投入大量人力式可得到短路电流l=/mh;当太阳能电池的输 物力对太阳能接收器进行研究为此笔者尝试出端开路时即=0,可推得开路电压UoC正 在普通物理实验中开设太阳能电池的特性研究常运行时,/mh比1高几个数量级因此(2/式中 在传统的特性参量测量基础上,采用光功率测定的1可以忽略 仪,定量分析太阳能电池在不同光强照射下,特性 当太阳能电池接上负载电阻后,太阳能电池的 参量的变化规律;采用滤色片测定并分析不同截输出电压和电流随着负载电阻的变化而变化,当负 止波长的光对太阳能电池的特性参量的影响在载电阻R=Rm时太阳能电池的输出功率为最 此基础上提出一测量半导体材料禁带宽度的方大即最大功率对应电压Um和电流m,可知 法,并测量、比较了不同半导体材料的禁带宽度 Pm= ImU 填充因子是表征太阳能电池质量好坏的一个 2原理 指标,将最大功率Pm和Uoc与lsc之积的比值定 太阳能电池的主要结构为PN结.理想PN义为填充因子FF,即 结的电流和电压关系由下式12给出 FF= la= lolexp nkt-1/ 1) 能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以 式中,10是无光照时的反向饱和电流,U是结上使太阳能电池产生光电流,光电流的大小为 的电压,e是电子电荷,k是玻尔兹曼常量,T表 N(Add 示热力学温度.当光照射在太阳能电池表面的 PN结上时,只要入射光子的能量大于半导体材式中,N(列是光子数随波长分布的函数,是滤 料的禁带宽度,则光子将被太阳能电池吸收而产色片的截止波长,4是能产生光电流的最大波 生电子-空穴对.以恒定速率产生的电子-空穴对长.当N(为一常量时,有 提供了通过结的电流.太阳能电池输出的净电流 是光生电流lP和两极管电流ld之差,净电流1当在太阳能电池光照部分前安放不同截止波长的 由下式给出 滤色片,则它产生的光电流和截止波长存在一定 关系,由此可得太阳能电池的半导体材料的禁带 在 国高等学校物理实验教学研讨会”论文 2004-0702 茅倾青(1983-),男,上海人,复旦大学物理系2001级本科生 陈骏逸(1963-),男,浙江鄞县人,复旦大学物理系讲师,理学学士,从事物理实验教学工作 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, Ltd All rights reserved
第 24 卷 第 11 期 2004 年 11 月 物 理 实 验 PHYSICS EXPERIMEN TA TION Vol. 24 No. 11 Nov. ,2004 “第三届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文 收稿日期 :2004207202 作者简介 :茅倾青(1983 - ) ,男 ,上海人 ,复旦大学物理系 2001 级本科生. 指导教师 :陈骏逸(1963 - ) ,男 ,浙江鄞县人 ,复旦大学物理系讲师 ,理学学士 ,从事物理实验教学工作. 太阳能电池基本特性测定实验 茅倾青 ,潘立栋 ,陈骏逸 ,陆申龙 (复旦大学 物理系 ,上海 200433) 摘 要 :对传统的“太阳能电池伏安特性测量”实验进行改进 ,利用光功率测定仪和滤色片 ,定量分析在不同光强照 射下以及在不同截止波长的光照射下 ,太阳能电池特性参量的变化规律 ,并测量了半导体材料的禁带宽度. 关键词 :太阳能电池 ;开路电压 ;短路电流 ;填充因子 ;禁带宽度 中图分类号 :O472. 3 文献标识码 :A 文章编号 :100524642 (2004) 1120006203 1 引 言 太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究 是 21 世纪的热门课题 ,许多国家正投入大量人力 物力对太阳能接收器进行研究[1 ] . 为此笔者尝试 在普通物理实验中开设太阳能电池的特性研究. 在传统的特性参量测量基础上 ,采用光功率测定 仪 ,定量分析太阳能电池在不同光强照射下 ,特性 参量的变化规律 ;采用滤色片测定并分析不同截 止波长的光对太阳能电池的特性参量的影响. 在 此基础上提出一测量半导体材料禁带宽度的方 法 ,并测量、比较了不同半导体材料的禁带宽度. 2 原 理 太阳能电池的主要结构为 PN 结. 理想 PN 结的电流和电压关系由下式[2 ]给出 Id = I0 [exp Ue nk T - 1 ] (1) 式中 , I0 是无光照时的反向饱和电流 , U 是结上 的电压 , e 是电子电荷 , k 是玻尔兹曼常量 , T 表 示热力学温度. 当光照射在太阳能电池表面的 PN 结上时 ,只要入射光子的能量大于半导体材 料的禁带宽度 ,则光子将被太阳能电池吸收而产 生电子2空穴对. 以恒定速率产生的电子2空穴对 提供了通过结的电流. 太阳能电池输出的净电流 I 是光生电流 I Ph和两极管电流 Id 之差 ,净电流 I 由下式给出 I = I Ph - Id = I Ph - I0 [exp Ue nk T - 1 ] (2) 当太阳能电池的输出端短路时 ,即 U = 0 ,由 (2) 式可得到短路电流 ISC = I Ph ;当太阳能电池的输 出端开路时 ,即 I = 0 ,可推得开路电压 UOC. 正 常运行时 , I Ph比 I0 高几个数量级 ,因此 (2) 式中 的 1 可以忽略. 当太阳能电池接上负载电阻后,太阳能电池的 输出电压和电流随着负载电阻的变化而变化,当负 载电阻 R = Rm 时,太阳能电池的输出功率为最 大,即最大功率,对应电压 Um 和电流 Im ,可知 Pm = Im U m (3) 填充因子是表征太阳能电池质量好坏的一个 指标 ,将最大功率 Pm 和 UOC与 ISC之积的比值定 义为填充因子 FF ,即 FF = Pm UOC ISC (4) 能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以 使太阳能电池产生光电流 ,光电流的大小为 I Ph ∝∫ λ0 λc N (λ) dλ (5) 式中 , N (λ) 是光子数随波长分布的函数 ,λc 是滤 色片的截止波长 ,λ0 是能产生光电流的最大波 长. 当 N (λ) 为一常量时 ,有 I Ph∝λ0 - λc (6) 当在太阳能电池光照部分前安放不同截止波长的 滤色片 ,则它产生的光电流和截止波长存在一定 关系 ,由此可得太阳能电池的半导体材料的禁带 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第11期 茅倾青等:太阳能电池基本特性测定实验 宽度 和截止波长l的关系,外推至lsc=0时,得截止 波长人,即可由光子能量与波长关系(E=hc/儿 3实验方法 得到制作太阳能电池的半导体材料的禁带宽度 )将太阳能电池放在暗箱中,按实验电路图测量不同半导体材料制作的太阳能电池的数据 接线/图1(a}测量在不受光照情况下,太阳能比较不同半导体材料的禁带宽度 电池在正向偏压下的U特性 2)将太阳能电池作为一电源连入电路/图1 结果和讨论 b)置于恒定光强照射下(本实验使用60W的 在全暗情况下测量太阳能电池在正向偏压下 白炽灯泡照明),按电路图接线,测量在不同负载流过太阳能电池的电流和太阳能电池的输出 电阻时流过太阳能电池的电流1和输出电压U,电压U,得到FU图,如图2所示;在4V以下的 计算其在不同负载电阻下的输出功率P,由此确区域可以满足(1)式.电压再大时,由于其它因素 定最大输出功率P时的负载电阻Rm;从FU图的影响,1和U基本上呈线性关系 上得到U=0时的短路电流Isc和=0时的开路 电压Uoc,计算填充因子FF 暗 阳能电 (a)无光照 图2全暗时太阳能电池卜U特性曲线 在不加偏压下,将太阳能电池置于恒定光强 照射下暗箱中,保持60W白炽灯光源到太阳能 电池距离为20cm).太阳能电池在不同负载电阻 R下,输出功率P和负载电阻R的关系以及流过 太阳能电池的电流I和输出电压U的关系如图3 (b)恒定光强照射 和图4所示,由图可得负载电阻R=1.8k9时 太阳能电池的最大输出功率Pm=4.37mW,短路 图1全暗及光照时实验电路图 电流sc=1.85mA,开路电压Uoc=3.60V.算 得填充因子FF=65.6% 3)取定J作为“标准”的入射光照强度,通 过改变光源到太阳能电池的距离来改变照射到太 阳能电池的光照强度J,得到lsc,Uoc与相对光 照强度JJ的关系找出1s,Uoc与∥/J的近235 似函数关系 2.0 4在光源出射口安放一块消除红外波长的 隔热玻璃,使只有短波长通过,以防止红外波长对 1020304050 实验的影响.然后在太阳能电池前安放不同截止 R/d 波长的滤色片(该滤色片存在截止波长,小于此波 长的光波不能通过),在光强为J下测量光电流 图3PR曲线 和截止波长的关系.然后改变J,测量几组不同 光强下光电流和截止波长的关系.由光电流Isc 若入射光最大光强为J,改变后光照强度为 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
宽度. 3 实验方法 1) 将太阳能电池放在暗箱中 ,按实验电路图 接线[图 1 (a) ] ,测量在不受光照情况下 ,太阳能 电池在正向偏压下的 I2U 特性. 2) 将太阳能电池作为一电源连入电路[图 1 (b) ] ,置于恒定光强照射下(本实验使用 60 W 的 白炽灯泡照明) ,按电路图接线 ,测量在不同负载 电阻时流过太阳能电池的电流 I 和输出电压 U , 计算其在不同负载电阻下的输出功率 P ,由此确 定最大输出功率 Pm 时的负载电阻 R m ;从 I2U 图 上得到 U = 0 时的短路电流 ISC和 I = 0 时的开路 电压 UOC ,计算填充因子 FF. 图 1 全暗及光照时实验电路图 3) 取定 J 0 作为“标准”的入射光照强度 ,通 过改变光源到太阳能电池的距离来改变照射到太 阳能电池的光照强度 J ,得到 ISC , UOC与相对光 照强度 J/ J 0 的关系 ,找出 ISC , UOC与 J/ J 0 的近 似函数关系. 4) 在光源出射口安放一块消除红外波长的 隔热玻璃 ,使只有短波长通过 ,以防止红外波长对 实验的影响. 然后在太阳能电池前安放不同截止 波长的滤色片(该滤色片存在截止波长 ,小于此波 长的光波不能通过) ,在光强为 J 0 下测量光电流 和截止波长的关系. 然后改变 J ,测量几组不同 光强下光电流和截止波长的关系. 由光电流 ISC 和截止波长λc 的关系 ,外推至 ISC = 0 时 ,得截止 波长λc′,即可由光子能量与波长关系( E = hc/λ) 得到制作太阳能电池的半导体材料的禁带宽度. 测量不同半导体材料制作的太阳能电池的数据 , 比较不同半导体材料的禁带宽度. 4 结果和讨论 在全暗情况下测量太阳能电池在正向偏压下 流过太阳能电池的电流 I 和太阳能电池的输出 电压 U ,得到 I2U 图 ,如图 2 所示;在 4 V 以下的 区域可以满足(1) 式. 电压再大时 ,由于其它因素 的影响[3 ] , I 和 U 基本上呈线性关系. 图 2 全暗时太阳能电池 I2U 特性曲线 在不加偏压下 ,将太阳能电池置于恒定光强 照射下(暗箱中 ,保持 60 W 白炽灯光源到太阳能 电池距离为 20 cm) . 太阳能电池在不同负载电阻 R 下 ,输出功率 P 和负载电阻 R 的关系以及流过 太阳能电池的电流 I 和输出电压 U 的关系如图 3 和图 4 所示 ,由图可得负载电阻 R = 1. 8 kΩ 时 , 太阳能电池的最大输出功率 Pm = 4. 37 mW ,短路 电流 ISC = 1. 85 mA ,开路电压 UOC = 3. 60 V. 算 得填充因子 FF = 65. 6 %. 图 3 P2R 曲线 若入射光最大光强为 J 0 ,改变后光照强度为 第 11 期 茅倾青 ,等 :太阳能电池基本特性测定实验 7 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第24卷 由E=N=ho/λ求得单晶硅材料的禁带宽度为 20(041.85) 13eV(公认值为1.128eV).笔者又用相同的 方法对由多晶硅(编号02)作为材料的太阳能电 池进行了测量,求得此多晶硅截止波长l2′≈ 1200nm,代入光子能量公式得多晶硅材料的禁 0.2 3,60,0) 带宽度为1.03eV.可见,单晶硅的禁带宽度要大 于多晶硅的禁带宽度.由固体物理学的知识 般而言多晶硅由于缺陷较多,其禁带宽度要小于 单晶硅,实验数据很好地验证了这一点 图4}U图 J,测量不同相对光照强度JJ下的lsc和Uoc 得到1xc和JJ呈线性关系,如图5所示:Uoc和15A=06 ln(J/Jo)近似呈线性关系,如图6所示 05F/L=0.33 0.6 1 A/nm 0.1 图7单晶硅材料Ic-图 J 5结束语 太阳能电池特性的测量与其开发和利用有着 密切的关系.本实验从物理角度测量太阳能电池 的特性,有利于学生掌握基本的电磁学和光学知 识及实验方法,以及这些基本方法在科学研究中 的应用.在进行传统的基本参量测量的基础上 采用新的仪器和方法拓展了实验内容,定量分析 太阳能电池特性参量的变化规律.因此这是一个 应用性比较强的设计性综合实验 2-1.5-1.00.5 参考文 1]唐丽华.太阳能制氢与燃料电池的可再生发电系统 [].物理实验,2003,23(8):9~12 [2]杨述武,朱世国,马葭生,等.普通物理实验(四、综 合设计部分)[M]北京:高等教育出版社,2000 在不同光强下,由单晶硅/编号01)作为材料[3]方俊鑫,陆栋.固体物理学(下册)M]上海:上海 的太阳能电池的光电流和截止波长的关系如图7 科学技术出版社,1981 所示.由lc=0时,可得截止波长b1≈1100nm (下转第11页) 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
图 4 I2U 图 J ,测量不同相对光照强度 J/ J 0 下的 ISC和 UOC , 得到 ISC和 J/ J 0 呈线性关系 ,如图 5 所示; UOC和 ln ( J/ J 0 ) 近似呈线性关系 ,如图 6 所示. 图 5 ISC2 J J0 图 图 6 UOC2ln J J0 图 在不同光强下 ,由单晶硅 (编号 01) 作为材料 的太阳能电池的光电流和截止波长的关系如图 7 所示. 由 ISC = 0 时,可得截止波长λ01′≈1 100 nm, 由 E = hν= hc/λ求得单晶硅材料的禁带宽度为 1. 13 eV (公认值为 1. 128 eV) . 笔者又用相同的 方法对由多晶硅 (编号 02) 作为材料的太阳能电 池进行了测量 , 求得此多晶硅截止波长 λ02′≈ 1 200 nm ,代入光子能量公式得多晶硅材料的禁 带宽度为 1. 03 eV. 可见 ,单晶硅的禁带宽度要大 于多晶硅的禁带宽度. 由固体物理学的知识 ,一 般而言多晶硅由于缺陷较多 ,其禁带宽度要小于 单晶硅 ,实验数据很好地验证了这一点. 图 7 单晶硅材料 ISC2λ图 5 结束语 太阳能电池特性的测量与其开发和利用有着 密切的关系. 本实验从物理角度测量太阳能电池 的特性 ,有利于学生掌握基本的电磁学和光学知 识及实验方法 ,以及这些基本方法在科学研究中 的应用. 在进行传统的基本参量测量的基础上 , 采用新的仪器和方法 ,拓展了实验内容 ,定量分析 太阳能电池特性参量的变化规律. 因此这是一个 应用性比较强的设计性综合实验. 参考文献 : [1 ] 唐丽华. 太阳能制氢与燃料电池的可再生发电系统 [J ]. 物理实验 ,2003 ,23 (8) :9～12. [2 ] 杨述武 ,朱世国 ,马葭生 ,等. 普通物理实验 (四、综 合设计部分) [ M ]. 北京 :高等教育出版社 ,2000. [3 ] 方俊鑫 ,陆栋. 固体物理学 (下册) [ M ]. 上海 :上海 科学技术出版社 ,1981. (下转第 11 页) 8 物理实验 第 24 卷 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved
第11期 徐思成:同步时序逻辑电路设计新法 以上设计结果与文献/2/中的结论完全一致 。 4结束语 本文提出了一种直接从状态图上求触发器的 置位、复位函数,进而确定FF激励方程的新方法 图5逻辑电路图 设计同步时序逻辑电路.与传统设计方法相比 0/0 该方法简便、快捷,特别适合于采用JKFF和T FF的设计方案而且从上述设计实例中可看出设 K/y 0/0 1/0 计结果正确、可靠,对所有同步时序电路设计具有 普遍适用性 参考文献 图6完整状态转换图 []康华光,邹寿彬.电子技术基础(数字部分)[M]北 京高等教育出版社,2000 此例若采用TFF实现,则驱动方程为 [2]阎石.数字电子技术基础[M].北京高等教育出 F:=SF2+RF1=X·Q2Q 版社,1989 [3]何超,于席桂.计算机电路基础[M].北京:中国水 SFF,+ RFE,=X22 01+21=X22+ o 利水电出版社,2002 逻辑电路图略 [4]刘宝琴,沈雅芬.计算机电路基础(1)[M].北京:中 央广播电视大学出版社,2002 Design ing synchronours sequential logic circuits (Department of Quantity Examination, Henan Quantity Engineering Vocation College, Pingdingshan 467002, China) Abstract The new method of designing synchronours sequential logic circuits is put forward. Accord- ing to the basic characteristic of flip-flop circuit, the set-reset functions are got directly from state transition diagram, and the driver function can be made sure. Concrete actual examples show that the method is simr ple, fast, efficiently, and the designing electric circuit function is right Key words: synchronours sequential logic circuits; flip-flop circuit; state transition diagram (上接第8页) Experiment of measuring electronic property of solar cells MAO Qing-qing, PAn Lidong, ChEN Junyi, LU Shenr-long Department of Physics, Fudan University, Shanghai 200433, China) Abstract g photometer and color filters, the traditional method of measuring the l-U characteris tic of solar cells is improved, and the electric properties of the semiconductor solar cells used in different cir cumstances of illumination are measured. Meanwhile the forbidden band width of the semiconductor mater als is obtained Key words: solar cells; opencircuit voltage; short-circuit current; filling factor; forbidden band width 2 01995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co, LId Al rights reserved
图 5 逻辑电路图 图 6 完整状态转换图 此例若采用 T2FF 实现 ,则驱动方程为 TFF2 = S FF2 + R FF1 = X·Q n 2 Q n 1 + X·Q n 2 TFF1 = S FF1 + R FF1 = X Q n 2 Q n 1 + Q n 1 = X Q n 2 + Q n 1 逻辑电路图略. 以上设计结果与文献[2 ]中的结论完全一致. 4 结束语 本文提出了一种直接从状态图上求触发器的 置位、复位函数 ,进而确定 FF 激励方程的新方法 设计同步时序逻辑电路. 与传统设计方法相比 , 该方法简便、快捷 ,特别适合于采用 J K2FF 和 T2 FF 的设计方案 ,而且从上述设计实例中可看出设 计结果正确、可靠 ,对所有同步时序电路设计具有 普遍适用性. 参考文献 : [1 ] 康华光 ,邹寿彬. 电子技术基础(数字部分) [ M ]. 北 京 :高等教育出版社 , 2000. [2 ] 阎石. 数字电子技术基础[ M ]. 北京 :高等教育出 版社 ,1989. [3 ] 何超 ,于席桂. 计算机电路基础[ M ]. 北京 :中国水 利水电出版社 ,2002. [ 4 ] 刘宝琴 ,沈雅芬. 计算机电路基础(1) [ M ]. 北京 :中 央广播电视大学出版社 ,2002. Designing synchronours sequential logic circuits XU Si2cheng (Department of Quantity Examination , Henan Quantity Engineering Vocation College , Pingdingshan 467002 , China) Abstract : The new method of designing synchronours sequential logic circuits is put forward. Accord2 ing to the basic characteristic of flip2flop circuit , the set2reset functions are got directly from state transition diagram , and the driver function can be made sure. Concrete actual examples show that the method is sim2 ple , fast , efficiently , and the designing electric circuit function is right . Key words : synchronours sequential logic circuits ; flip2flop circuit ; state transition diagram (上接第 8 页) Experiment of measuring electronic property of solar cells MAO Qing2qing , PAN Li2dong , CHEN J un2yi , L U Shen2long (Department of Physics , Fudan University , Shanghai 200433 , China) Abstract : Using photometer and color filters , the traditional method of measuring the I2U characteris2 tic of solar cells is improved , and the electric properties of the semiconductor solar cells used in different cir2 cumstances of illumination are measured. Meanwhile the forbidden band width of the semiconductor materi2 als is obtained. Key words : solar cells ; open2circuit voltage ; short2circuit current ; filling factor ; forbidden band width 第 11 期 徐思成 :同步时序逻辑电路设计新法 11 © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved