篇一:《太阳能电池的实验》
太阳能电池的
光电
特性研究
学院：物理与光电·能源学部
专业：电子信息科学与技术
学号： 1208402038 姓名： 王琰
摘要：
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。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，许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。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。
关键词：
太阳能电池 单晶硅 多晶硅 非晶硅
引言：
能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO2、SO2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO2、SO2等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。
广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万
2公里。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m，称为太阳常数。到达地球表
面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，
2太阳辐射的功率密度约为1kW /m ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳
光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。
太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
与传统发电方式相比，太阳能发电目前成本较高，所以通常用于远离传统电源的偏远地区，2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有
望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。
根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。
正文：
实验主要内容：
1． 太阳能电池的暗伏安特性测量
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测量
实验原理：
能源短缺和地球生态环境污染目前是人类面临的最大问题。太阳能是干净、无污染且随手可得的能源，太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且不会产生环境污染。近几年太阳能得到了大力的推广与应用。
太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电能的器
件。太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质
转变为电能的过程，通常叫做光生伏打效应，太阳能电池以半
导体材料为基础，利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发
P-N结二极管的结构如图1所示，P型半导体中有相当数量
的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由
电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。
当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。
太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子—光子，而每个光子所携带的能量为Eph： 空间电荷区
电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结二极管。 图1 半导体P-N结示意图
Eph()hc
式中：h表示普朗克常数
（6.626×10-34J.S），C表示光速（3×108
m/s ），λ表示光子波长。
在不同的光谱中光子所携带的能量
不一样，当光子所携带的能量若大于能隙
时，便可以由光电子转换成电能，若光子
图2 开路电压，短路电流与光强关系电路图
所携带得能量小于能隙时，光子没有足够的能量来形成电子空穴对，不会产生任何的电流，因此并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能。电池的能隙由电池材料决定（对于晶体硅，约为1.1eV）。一般太阳能电池的转换效率在20%左右。
在一定的光照条件下，太阳光被吸收后产生电子-空穴对，在受到接面部份所形成的强电场的吸收，促使电子流入N 层且空穴流入P层而形成电流，负载断开时测得的最大电压UOC称为开路电压，负载短路（电阻为零）时测得的最大电流ISC称为短路电流，测量电路如图2所示。
强关系电路图
如图3所示，连接电路，改变太阳能电池负载电阻的
大小，就可以测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特
性，如图4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-U曲线如图4点划线所示。
输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。 图3测量太阳能电池的输出特性电路图
填充因子FF定义为： 图2 开路电压，短路电流与光
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。{关于太阳的实验200}.
转换效率ηs定义为： U Pmaxs(%)10%0Pin
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 I
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5
所示。 FFPmaxUocIsc I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，组成电 池板。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。
制作太阳能电池板主要以半导体材料为基础，根据材料的不
同，太阳能电池分为：硅太阳能电池、无机盐（如砷化镓、硫化镉、铜铟硒等多元化合物）电池、功能高分子大阳能电池、纳米晶太阳能电池等。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，需要的技术水平较低,技术也最为成熟。在实图5 不同光照条件下的U-I曲线
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。但由于单晶硅价格高，因此，单晶硅太阳能电池板的长远发展前景并不乐观。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，但也存在明显缺陷, 由于晶粒界面和晶格错位，造成多晶硅电池光电转换效率一直无法突破20%的关口。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%。其效率高于非晶硅薄膜电池，因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，普遍受到人们的重视并得到迅速发展。但是由于非晶硅的光学带隙为1.7eV，使得材料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，这样就限制了非晶硅太阳能电池的转换效率。此外，其光电效率会随着光照时间的延续而衰减，使得电池性能不稳定。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。
实验仪器：
光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱 太阳能电池实验装置如图4所示，电源面板如图5所示。
图4 太阳能电池实验装置
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功率，具体数值由光功率计测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。
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/光功率表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或
篇二:《太阳能应用实验》
太阳能应用实验
【实验目的】
1. 通过对太阳能草地灯原理的分析、电路组装及测试（充电、放电电流、电压），了解太阳能充电器的原理。
2. 了解太阳能电池的主要工作特性（通过实验主要了解伏安特性、光谱特性、光照特性、温度特性和方向特性）。
【仪器用具】{关于太阳的实验200}.
太阳能电池（面积60*60mm2，电压3.65V，电流85mA，功率0.3W），控制箱。
【实验原理】
1. 硅太阳能电池的工作原理
用单晶硅或多晶硅做材料，直接将太阳能转变为电能的电池叫硅太阳能电池，它的基本材料是一片超薄P型单晶硅，厚度一般在0.4mm以下，上面为N型受光层，在基体和受光层之间形成PN结，在受光层上覆盖着一层天蓝色氧化硅膜，使入射光的有效吸收率达90%以上。硅太阳能电池的光电转换机理是光生伏特效应，具体说来，就是硅光电池中的PN结受到光照射时，如果光子能量hv大于禁带宽度Eg时，在势垒区中就会产生电子—空穴对，电子—空穴对在内建电场的作用下，空穴和电子分别漂移并聚集在P区和N区。另外，由于光子的激发，P区产生的电子—空穴对中的空穴和N区产生的电子—空穴对中的电子受内建电场的作用，不能进入势垒区，而P区中的电子和N区中的空穴，如果能扩散到势垒区，则会受到内建电场的作用，分别聚集到结两侧的N区和P区，这样在P区和N区就分别聚集了空穴和电子，分别带上正电和负电，因而产生电动势。如果用导线和负载连接起来，就能产生电流和输出功率，成为光电池。
2. 硅太阳能电池的主要参数 （1） 光电转换效率
p0pi（1）
其中p0为光电池的输出功率，pi为入射在光电池上的光功率。目前硅太阳能电池产品的转换效率可达15%左右，已有多种太阳电池可达20%以上，特殊的甚至可超过30%。从材料、结构和特性等方面不断改进，提高转换效率是主要的追求目标。
（2） 硅太阳能电池的光谱响应
太阳光的光谱范围主要是在300nm～3000nm之间，不同波长范围，光能量不同。在高空、地面或太阳位于不同的角度，其光谱也有所不同。为了充分利用
1
太阳能，硅太阳能电池的光谱特性一定要尽量接近太阳光谱，这就要从材料、结构、结深、表面光学性能、厚度等各方面进行研究。图1是用于空间的对短波比较灵敏的薄型空间硅太阳能电池的光谱响应曲线。
图1 硅太阳能电池光谱响应曲线图2 硅太阳能电池光电伏安特性曲线
（3） 光照伏安特性曲线
伏安特性曲线是判断太阳能电池性能的重要参数，图2是Si n / p空间电池的光电伏安特性曲线，图中Pmax点是输出功率最大值。为了获得最大输出功率，就必须选用最佳负载，与此相适应就要有最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im。为了反映硅太阳能电池输出功率的能力，定义曲线因子（或填充因子）FF为：
FF
ImVm
（2） ISCVOC
式（2）中：ISC和VOC分别为短路电流和开路电压，好的光电池的FF通常在80%左右。硅太阳能电池的输出受温度影响较大，类似于硅光电池，但抗辐射性能好。
3. 太阳能电源的基本组成
太阳能电源的基本组成分为：太阳能电池方阵、蓄电池、调节控制装置和负载，{关于太阳的实验200}.
图3太阳能电源的基本组成
2
如图3所示。其中二极管D是为了防止蓄电池中的电流倒流。传统的蓄电池——铅酸蓄电池已逐渐被镍镉电池、镍氢电池、锂电池所代替。
太阳能电池方阵输出功率的大小主要取决气象条件：年日照时数、阴雨天数、使用地点的纬度、海拔高度、气温、湿度和风沙等情况，另外还需考虑用电的特点、所需电压和电流的大小、是否连续用电等，上述因素在设计和估算太阳能电源的参数时必须充分考虑。
图4 太阳能草地灯电路图
太阳能电池输出电压U0的估算公式为：
U0 = U1 + U2 + U3（3）
式（3）中：U1为蓄电池的浮充电压，它与所选用的蓄电池种类有关。对于一般负载，每个碱性镍镉电池为1.4V（额定电压为1.25V），每个低放电铅酸蓄电池为2.35V（额定电压为2V）。U2为线路损耗压降，主要是防反二极管压降。对于锗二极管正向压降一般取0.3V—0.5V，硅二极管取0.5V—0.7V。U3为由于太阳能电池温度升高而引起的输出电压的下降值。太阳能草地灯线路（如图4
所示）。
【实验内容】
1. 光照伏安特性曲线测绘{关于太阳的实验200}.
图5 伏安特性测绘电路图
3
按图5连接测绘电路，调节变阻器R，记录测绘在台灯照明下草地灯太阳能电池的伏安特性曲线，确定最佳负载、最佳工作电压Vm和最佳工作电流Im、光电池的曲线因子FF。
2. 近似测出在一定光照条件下（光谱特性、光照特性、温度特性和方向特性）太阳能电池板的开路电压和短路电流的数值。
3. 分析试验室提供的太阳能草地灯工作原理（线路如图4所示），组装并研究测试其性能的方法。
4. 请分析试验数据的意义。
假设已知面积1cm2的硅光电池在5001x光照条件下开路电压为0.48V，短路电流为10mA。如果要设计一个12V、15W的太阳能路灯，请问需要什么样的蓄电池（Ah）和多大面积的太阳能电池，才能保证该路灯在白天充电，而整个晚上点亮？
【实验数据】
1. 光照伏安特性曲线测绘
记录测绘在台灯照明下草地灯太阳能电池的伏安特性曲线
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