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实验20 太阳能电池特性的测量
太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21世纪的热门课题。
太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件与相配套的装置组成的太阳能电池发电系统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、无噪声、无污染等优点。世界上第一块实验用半导体太阳能电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。经过50多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前太阳能电池的应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域，如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁的“绿色”能源，因此世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。
【实验目的】
1．探讨太阳能电池的基本特性；
2．研究无光照时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性；
3．测量太阳能电池有光照时的输出特性，并求出它的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子；
4．测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。
【预备问题】
1．如何对光具座的同轴等高调节？
2．太阳能电池在使用时正负极能否短路？普通电池在使用时正负极能否短路？
3．太阳能电池的基本工作原理是什么？
4．填充因子的物理意义是什么？如何通过实验方法测量填充因子？

图20-1 太阳能电池结构图
【实验仪器】
太阳能电池特性实验仪（包括光具座、滑块、光源、太阳能电池、遮光板、光功率计、直流稳压电源、遮光罩、单刀双掷开关等）、万用表、电阻箱。
【实验原理】
1．太阳能电池的结构
以晶体硅太阳能电池为例，它以P型硅半导体材料作为基质材料，通过在表面的N型杂质扩散而形成PN结，N型半导体为受光面，为了减少光的反射损失，一般在整个表面覆盖一层减反射膜，在N型层上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能电池，如图20-1所示。
2．太阳能电池的基本工作原理
太阳能电池的发电过程可概括成如下四点：（1）收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。（2）太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出光生载流子——电子-空穴对。（3）这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池PN结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在PN结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势（，这一现象称为光伏效应）。（4）在太阳能电池PN结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把光能直接转换成了电能。
下面以单晶硅太阳能电池为例进行具体阐述。照到太阳能电池上的光线，一部分被太阳能电池上表面反射掉，另一部分被太阳能电池吸收，还有少量透过太阳能电池。在被太阳能电池吸收的光子中，只要入射光子的能量大于半导体禁带宽度的光子，在P区、N区和结区光子被吸收会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。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，总有一定概率扩散到结界面处。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N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，形成与内建电场方向相反的光生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使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。
如果太阳能电池开路，即负载电阻，则被PN结分开的全部过剩载流子就会积累在PN结附近，于是产生了最大光生电动势。如果太阳能电池短路，即，则所有可到达PN结的过剩载流子都可以穿过结，并产生最大可能的电流。如果把太阳能电池接上负载，则被PN结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于降低PN结势垒，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流，这就是太阳能电池的基本工作原理。
3．太阳能电池的等效电路
（1）理想的太阳能电池等效电路
理想的太阳能电池等效电路如图20-2所示。当连接负载的太阳能电池受到光照射时，太阳能电池可视为产生光生电流Iph的恒流源，与之并联一个处于正偏置下的二极管。

图20-2 理想的太阳能电池等效电路
无光照时太阳能电池的特性可视为一个二极管，二极管的端电压U与通过电流Id的关系式为
（20-1）
式（20-1）中，Io是反向饱和电流，（q为电子电量，A为二极管曲线因子，T为热力学温度）。
因此，流过负载两端的工作电流为
（20-2）
太阳能电池正常运行时，Iph比Io高几个数量级，因此式（20-2）中的1可以忽略。
（2）实际的太阳能电池等效电路
在实际的太阳能电池中，太阳能电池本身还有电阻，一类是由于导体材料的体电阻、金属电极与半导体材料的接触电阻、扩散层横向电阻以及金属电极本身的电阻四个部分产生的串联电阻Rs，Rs通常小于1 Ω；另一类是由于电池表面污染、半导体晶体缺陷引起的边缘漏电或耗尽区内的复合电流等原因产生的旁路电阻Rsh，一般为几千欧姆。所以实际的太阳能电池等效电路由一理想电流源、一个理想二极管、一个并联电阻Rsh（一般为几千欧姆）与一个串联电阻Rs（通常小于1 Ω）所组成，如图20-3所示。（我们实验不考虑Rsh和Rs的影响，光电池电源的输出伏安特性表达式为：
（20-2），
其中为二极管的伏安特性式。）

图20-3 实际的太阳能电池等效电路
此外，实际的太阳能电池等效电路还应该包含由于PN结形成的结电容和其他分布电容，但考虑到太阳能电池是直流设备，通常没有交流分量，这些电容的影响也可以忽略不计。
图20-3中，由基尔霍夫定律得
（20-3）
式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由式（20-1）可得
（20-4）
假定和，太阳能电池可简化为图20-2所示电路。
4．太阳能电池的基本技术参数
（1）短路电流ISC
在短路时，由式（20-2）可知，，。短路电流即为太阳能电池在端电压为零时的输出电流，它与太阳能电池的面积大小有关，面积越大短路电流越大。
（2）开路电压
在开路时，由式（20-2）可知，，，所以，开路电压
（20-5）
式（20-5）即为在和的情况下，太阳能电池的开路电压和短路电流的关系式。
（3）最大输出功率
当太阳能电池接上负载时，负载可以从零到无穷大。当负载使太阳能电池的功率输出为最大时，它对应的最大输出功率
（20-6）
式中，和分别为最大工作电流和最大工作电压。
（4）填充因子
填充因子是表征太阳能电池性能优劣的一个重要参数，定义为太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流的乘积之比，即
（20-7）
填充因子取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。填充因子的值越大，意味着该太阳能电池的最大输出功率越接近于所能达到的极限输出功率，说明太阳能电池对光的利用率越高。
【实验内容及步骤】
1．在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性
测量电路如图20-4所示，改变电阻箱R的阻值，用万用表测出各种阻值下太阳能电池两端的电压U1和电阻箱两端的电压U2，自行设计表格记录数据，计算出电流并记录于表格中。

图20-4 测量电路图
（1）画出太阳能电池正向偏压时的伏安特性（）曲线图。
（2）画出太阳能电池正向偏压时的伏安特性半对数（）曲线图，用作图法或最小二乘法求出和的值。
2．不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能
电池的距离20 cm，测量太阳能电池的一些特性
（1）设计测量电路图，并连接。
（2）测量太阳能电池在不同负载电阻下输出电流对输出电压的变化关系，画出曲线图。
（3）根据曲线图，用外推法求短路电流和开路电压。
（提示：根据一组观测值，计算观测范围以外同一对象近似值的方法称为外推法。）
（4）求出太阳能电池在不同负载电阻下的功率P，画出太阳能电池输出功率P与负载电阻RL的关系（P- RL）曲线图，求出太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时的负载电阻。
（5）计算填充因子。
3．测量太阳能电池的光照特性
在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20 cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0。
（1）改变太阳能电池到光源的距离x（），用光功率计测量x处的光照强度J，求光强J与位置x的关系。
（2）太阳能电池接收到相对光强J/J0的不同值时，测量相应的短路电流和开路电压的值（短路电流可以直接用万用表的直流电流挡量出，开路电压则直接用万用表的直流电压挡量出）。
（3）画出短路电流和与相对光强J/J0之间的关系曲线，用作图法或最小二乘法求与相对光强J/J0之间的近似关系函数。
（4）画出开路电压和与相对光强J/J0之间的关系曲线，用作图法或最小二乘法求与相对光强J/J0之间的近似关系函数。
（提示：作出开路电压与相对光强关系的半对数（）曲线，再用作图法或最小二乘法求解关系函数。）
【注意事项】
1．连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。
2．避免太阳光照射太阳能电池。
3．连接电路时，保持电源开关断开。
4．辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触，以免烫伤。
【思考题】
1．温度的变化对太阳能电池带来什么影响？
2．设计电路，利用两节干电池、一个电压表、一个电阻箱来测量太阳能电池在全黑的条件下的伏安特性曲线。
3．两个太阳能电池串联，测量它们的伏安特性曲线和填充因子。
4．两个太阳能电池并联，测量它们的伏安特性曲线和填充因子。
【参考文献】
[1] 杨金焕，于化丛，葛亮．太阳能光伏发电应用技术．北京：电子工业出版社，2008．
[2] 杨德仁．太阳电池材料．北京：化学工业出版社，2006．
[3] 王长贵，王期成．太阳能光伏发电应用技术．北京：化学工业出版社，2009．

复习复习思考题

1． 掌握太阳能电池的基本原理。（看教材）
2． 无光源的条件下，太阳能电池施加正向偏压时的伏安特性？怎样求常数和的值？
提示：无光照的太阳能电池，施加正向偏压后可看为一个加了正向偏压的二极管；可以根据测量二极管伏安特性方法才测出有关数据作图，然后将图线曲改直，求出斜率、截距来计算求出和的值。
3． 恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性？如何求短路电流；开路电压；最大输出功率；填充因子FF？（看教材）
提示：恒定光照下，太阳能电池在不加偏压时伏安特性就是太阳能电池的电源输出特性（不同负载电阻RL下，对变化关系I~U特性和P~RL特性），实验通过测出I~U特性图线和P~R图线，然后将图线用外推延伸法求出和,从P~R图线读出Pmax,最后计算填充因子FF。
4． 如何对太阳能电池基本特性进行测量？电路图？（看教材）
提示：太阳能电池的基本特性有：（1）二极管特性（无光照，外加偏置电压时）；（2）太阳能电池的电源输出特性（恒定光照，无偏置电压）；（3）太阳能电池光照特性（无偏置电压，改变光照强度）；

5． 温度会对太阳能电池带来什么影响？（温度升高会影响太阳电池的功率输出，一般要在45℃以内使用）