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硅光电池特征及应用研究
一、 试验目
1. 了解和研究硅光电池关键参数和基础特征。
2. 测量太阳能电池板负载特征及短路电流、 开路电压并计算最大输出功率和填充因子FF。
二、 试验仪器
硅光电池, 太阳能电池板, 光学导轨及支座附件, 光源, 电源, 光功率计, 聚光透镜, 5个滤光片, 多量程毫安表及伏特表, 电阻箱, 开关, 一对偏振器等。试验装置如图1所表示。

图1
三、 试验原理
太阳能是一个新能源, 对太阳能充足利用能够处理人类日趋增加能源需求问题。现在, 太阳能利用关键集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电现在有两种方法, 一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电, 二是太阳能电池。太阳能利用和太阳能电池特征研究是21 世纪热门课题, 很多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。本试验经过对太阳能电池电学性质和光学性质进行测量, 联络科技开发实际, 有一定新奇性和实用价值。
硅光电池在没有光照时其特征可视为一个二极管, 在没有光照时其正向偏压U与经过电流I关系式为:
, (1)
(1)式中, 和是常数。
由半导体理论, 二极管关键是由能隙为EC－EV半导体组成, 如图2所表示。EC为半导体导电带, EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时, 光子会被半导体吸收, 产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场影响而产生光电流。

图2

假设硅光电池理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流电流源）、 一个理想二极管、 一个并联电阻与一个电阻所组成, 如图3所表示。

图3

图3中, 为硅光电池在光照时该等效电源输出电流, 为光照时, 经过硅光电池内部二极管电流。由基尔霍夫定律得:
, 　 　　（2）
（2）式中, I为硅光电池输出电流, U为输出电压。由（2）式可得,
, 　 　　 （3）
假定和, 硅光电池可简化为图4所表示电路。

图4

这里, 。
在短路时, U＝0, ;
而在开路时, I＝0, ;
　　, 　　 （4）
（4）式即为在和情况下, 硅光电池开路电压和短路电流关系式。其中为开路电压, 为短路电流, 而、 是常数。可看出开路电压与短路电流满足对数关系, 假如与光照强度有线性关系, 则与光照强度也满足对数关系。
硅光电池一大用途就是制成太阳能电池板来发电, 大阳能电池板是由多个硅晶片依据功率大小串联和并联组合制成, 所以太阳能电池板原理与硅光电池一样, 因为二极管分流作用, 负载电阻越大, 太阳能电池板输出电流越小, 试验能够证实这时输出电压却越大。所以, 在入射光能量不改变情况下, 要从光电池获取最大功率, 负载电阻要取合适值。其中太阳能电池板填充因子
FF = (5)
填充因子是代表太阳能电池性能优劣一个关键参数。

四、 试验内容
1．在没有光源条件下, 测量硅光电池正向偏压时伏安特征（直流偏压从0—5.0V）。
a、 伏安特征即I－U关系, 图5为试验原理图, 依据原理图连接好线路。
b、 安照数据表1, 利用测得正向偏压时I－U关系数据, 画出㏑－U曲线并求得常数和值（利用条件I >>）。
表1
U(V)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
I

图5 图6
C、 参考表格2, 测出开路电压以及开路电流与距离（太阳能电池板到光源处距离）:
表2
X/㎝
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
U

I

2.测量光电池光照特征
测量短路电流与光电池上相对光照强度改变关系。在光电池线性响应范围内, 光电流与入射光强度成正比, 这是光电池作为光电检测元件被广泛应用关键原因。
a、 取离白光源20cm水平距离处光强作为标准光照强度, 用光功率计测量该处光照强度; 改变太阳能电池到光源距离x,用光功率计测量x处光照强度J和此时值并填入表3, 其中电路原理图如图6所表示。
描绘和相对光强度之间关系曲线, 求和与相对光强之间近似关系函数。
表3
X/㎝
20
30
32
34
36
38
40
42
44
46
48
50
J

/mA

3. 测量太阳能电池板负载特征
测量光照情况下, 太阳能电池板距离光源20cm处输出电压和输出电流与负载电阻关系（填表4）。其中电路原理图如图7所表示, 依据表4, 画出在有负载情况下输出电压和电流之间关系, 并画出负载电阻与输出功率关系; 确定太阳能电池板最大输出功率 以及最大输出功率时负载电阻（最好匹配电阻）。

图7
表4

R1
R2
R3
R4
…
R41
R42
R43
…
R71
0
100
200
300
…
4000
5000
6000
…
99999
U/V

…

…

I/mA

…

…

4. 填充因子（Full Factor）FF
填充因子表示最大输出功率与极限输出功率之比, 通常以FF
表示,
即:

填充因子是表征太阳电池优劣关键参数之一。填充因子愈大, 太阳电池性能就愈好

5. 光电转换效率:
光电转换效率是太阳电池性能优劣最关键判据, 常以η表示, 通常定义为太阳电池最大输出功率和照射到太阳电池上入射功率之比, 即:

　 其中和为最大功率点电流和电压, 而为入射光功率.

五、 思索题
1. 严格地说, 本试验得出光电池光谱特征并不能正确描述光电池对入射光中各频率分量响应特征, 或者说, 这么得出光谱特征, 还包含了其她原因影响, 这些影响原因是什么呢？
2. 硅光电池除了用于太阳能发电外还是一个半导体元件, 大家在研究半导体元件外特征时, 通常要研究它们温度特征和对信号频率响应。不限于本试验器材, 你有什么方案测量以上两种特征？
3. 由太阳能电池板自己设计电路, 使太阳能电池板白天在太阳光下给蓄电池充电, 而晚上蓄电池能够供灯泡发光, 而且蓄电池电流不会倒流回太阳能电池板。