2142研究性实验报告.docx

太阳能电池特性测量实验
第一作者：陈思远 第二作者：贺忠良
摘要：本文以“太阳能电池特性测量”为主要内容，在魏玉叶老师的指导下，成功完成了实验，先介绍了太阳能电池的发展背景，然后介绍了实验的基本原理与过程，而后进行了数据处理，并对试验中可能产生的误差进行了分析，介绍了实验经验，并提出实验细则改进方案。
关键词：太阳能电池特性
一、 实验目的
1、 学会太阳能暗伏安特性的测量
2、 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系
3、 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系
4、 太阳能电池的输出特性的测量
二、实验原理
1、太阳能电池
太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结。其结构如图1所示

当光电池受光照时，部分电子被激发而产生电子-空穴时，在集结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向P区和N区，使N区有过量的电子带负电，P区有过量的空穴带正电。P-N结两端形成电压，这就是光伏效应。
在一定的光照条件下，改变太阳能电池的负载电阻大小，测量其输出电压和电流得到输出伏安特性曲线如图2实线所示，太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积，同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。其中负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。

填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.75~0.8之间。
填充因字的定义为：
（1）
转换效率ηs定义为：
（2）
其中Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。
理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。

三、实验仪器
太阳能电池基本特性测量实验装置如图左所示，电源面板如图右所示。
图左：太阳能电池基本特性测量实验装置
图右：电源面板
光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光强，具体数值由光强探头测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强的数值。
电压源：可以输出0～8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。
电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当的显示范围。
电流表：可以测量并显示0～200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。

四、实验方法
太阳能电池基本特性测量
1．硅太阳能电池的暗伏安特性测量
暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。
太阳能电池的基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电池单元的P-N结面积已远大于普通的二极管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系。
本实验提供的组件是将若干单元并联。要求分别测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。
用遮光罩罩住太阳能电池。
测试原理图如图10所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50Ω后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。

图10 伏安特性测量接线原理图
将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。然后再次将电压输入调到0V，将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压，逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据。
2．开路电压，短路电流与光强关系测量
打开光源开关，预热5分钟。
打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远（从10cm到50cm）移动滑动支架，测量距光源一定距离（每隔5cm）的光强I。

将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图11A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值。按图11B接线，记录短路电流值于表2中。
将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。
将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。
3．太阳能电池输出特性实验

按图12接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V（按照每隔0.2V的间隔）和电流I。
若时间允许，可改变光照强度（改变滑动支架的位置），重复前面的实验。
4、注意事项
⑴在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；
⑵光源工作及关闭后的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸；
⑶可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；
⑷220V电源需可靠接地。。
五、数据记录与处理
1．硅太阳能电池的暗伏安特性测量
以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。
（1）原始数据

（2）用matlab画三种太阳能电池的伏安特性曲线

2．开路电压，短路电流与光强关系测量
画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线；画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。
（1）原始数据记录

多晶硅：在选定25cm处，测得开路电压2.62V ，短路电流31.2mA
非晶硅：在选定25cm处，测得开路电压2.73V， 短路电流5.70mA
（在距25cm处，光强I=361W/m*2）

（2）用matlab画单晶硅开路电压随光强的变化曲线，短路电流随光强的变化曲线
开路电压随光强的变化曲线：

短路电流随光强的变化曲线：

3．太阳能电池输出特性实验
根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，并与图2比较。
在实验的光照条件下，找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。最大功率点对应的输出电压和电流是多少？
由（1）式计算填充因子。
由（2）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率Pin=I×S1，I为入射到太阳能电池板表面的光强，S1为太阳能电池板面积。
（1）原始数据

（2）由表数据作输出伏安特性曲线及功率曲线

（3）曲线分析及计算
找出最大功率及对应的输出电压
由曲线易知：
单晶硅：Pmax=70.62mW 对应的U=2.2V I=32.1mA
多晶硅：Pmax=60.2mW 对应的U=2.0V I=30.1mA
非晶硅：Pmax=7.38mW 对应的U=1.8V I=4.1mA

计算填充因子及转换效率
由实验原理，有
F∙F=PmaxVoc×Isc
η=PmaxPin×100%
η=PmaxI×Sz×100%
单晶硅：
F∙F=PmaxVoc×Isc=70.622.74×36.7=0.702
η=PmaxI×Sz×100%=70.6250×10-32×361×100%=7.82%
多晶硅：
F∙F=PmaxVoc×Isc=60.22.62×31.2=0.737

η=PmaxI×Sz×100%=60.250×10-32×361×100%=6.67%

非晶硅：
F∙F=PmaxVoc×Isc=7.382.73×5.7=0.702
η=PmaxI×Sz×100%=7.3850×10-32×361×100%=0.817%

六、课后思考题
．太阳能电池的暗伏安特性与一般二极管的伏安特性有何异同？
答：相同性：外加正向电压时，在起始部分正向电压很小，正向电流几乎为零，这一段称为死区。当正向电压大于死区电压后，P-N结内电场被克服，二极管和太阳能电池都会正向导通，电流随电压增大而迅速上升，外加反向电压不超过一定范围时，反向电流都会很小，太阳能电池与一般二极管都处于截止状态，外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，即击穿。
不同处：太阳能电池的反向击穿电压除了要克服P-N结极化后的反向内部电场外，还要克服等效电动势差，故其反向击穿电压的绝对值要大一些。

七、实验总结及实验感想及参考文献
1. 实验感悟
通过本次实验，我基本上掌握了太阳能电池特性测量实验装置的工作原理
在整个的实验过程中，最大的一个体会就是像这种研究不同参量之间关系的实验对数据的广度和质量要求很严格，我们需要不厌其烦的测量不同光照强度下的开路电压和短路电流，调整仪器达到实验要求。而试验后的各种烦琐的数据处理过程，以及严格的数值分析计算机模拟绘图过程，让我真正理解到了大学物理实验的严谨性，要求我们考虑到各方面的因素。
在本这次实验中，涉及到各种仪器的使用，而这些基本是高中未能很好的接触的，虽说我们有一定的理论基础，但在实际的操作过程中还是会存在许多的问题。而且该实验中设计的操作项目也很多，对于我们来说时间可以说是最大的一个问题。在实验时，我们可以考虑每个实验分两阶段进行，第一阶段主要是用于熟悉仪器，而第二阶段则是用于真正的进行实验操作。这样能够让我们认清本质，而不仅仅是为了应付。最后还是感谢魏玉叶老师的耐心解答和指导，谢谢老师。

2. 实验经验与改进建议
测量暗伏安特性电压的加载：
此处要求电压加载方案是每次增加0.1V，根据实际情况，此种加载方案所获数据并不是很理想的，因为工作量太大，记录数据很麻烦，实验室改进方案是每隔0.5V记一次数据，这样也不科学，更加严密的加载方案应该是：
正向加载未达到2V是采用0.5的间隔，超过2V时采用0.2V的间隔，这样绘图时能够充分利用数据，同时减小工作量，提高精度。
测量开路电压，短路电流与光强关系注意事项：
测量时应该先连接好所有线路，调节好置物架然后再放上太阳能电池以避免过热从而导致所
测得的数据不准确。另外由于光强度的衰减在近处比较明显，建议在近处多测几组数据，
这样可以提高精度。
太阳能电池输出特性的测量：
测量过程中调节可变电阻并记录数据具有很大的随意性，每个人调节所获得的数据疏密程度都不同，分布区域也不同，由于数据是以为横轴的，为使数据分布区域均匀，提升利用率，应使按照一定大小进行递增并记录相应数据。

3.参考文献
《基础物理实验（修订版）》北京航空航天大学出版社李朝荣徐平唐芳王慕冰编著
《太阳能电池研究现状及发展趋势》黄淮学院2014年本科毕业论文
卢金军《太阳能电池的研究现状和产业发展》《科技资讯》2007
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