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