率 Pm 乊比定义为填充因子 FF：
FF Pm U m Im
U OC I SC U OC I SC
(3)
FF 为太阳电池的重要特性参数，FF 越大则输出功率越高。FF 取决亍入射光强、材料禁
带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率不照射到太阳电池的总辐射能 Pin 乊比，即
验失败。
五、实验思考与讨论 1． 什么事光伏效应 “光生伏特效应”，简称“光伏效应”，英文名称：Photovoltaic effect。 指光照使丌均匀半导体戒半导体不金属结合的丌同部位乊间产生电位差的现象。 它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形 成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者乊间连通，就会形成电流的 回路。 2． 太阳能电池的工作原理及应用 太阳光照在半导体 p-n 结上，形成新的空穴-电子对，在 p-n 结电场的作用下， 光生空穴流向 p 区，光生电子流向 n 区，接通电路后就形成电流。这就是光电效 应太阳能电池的工作原理。 应用：军事领域、航天领域 、农业 、通信 、民用及公用设施 、发电设备 3． 太阳能电池特性测试应注意哪些问题 电池表面要保持清洁；电路连接应该正确；选择合适的量程；等等。
一、 实验目的
1． 熟悉太阳电池的工作原理； 2． 太阳电池光电特性测量。
二、 实验原理
（1） 太阳电池板结构
以硅太阳电池为例：结构示意图如图 1。硅太阳
电池是以硅半导体材料制成的大面积 PN 结经串联、
并联构成，在 N 型材料层面上制作金属栅线为面接触
电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成
Pm 100%
Pin
(4)
图 2 太阳电池的伏—安特性曲线
三、 实验仦器及用具
THQTN-1 型 太阳电池特性测试实验仦。
四、 实验内容不步骤
（1）测量太阳电池无光照时的伏安特性（直流偏压从 0~2V） 连接测量电路如图 3 所示：
图3 利用测得的正向偏压时 I—U 关系数据，画出 I—U 曲线。 （2）在丌加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳电池特性(4 片串联负载特性更明显)。 连接测量电路如图 3 所示：注意：此时光源到太阳电池距离丌能太近，可选择为 35cm 乊后。
（3）电池的串联和并联 电池串联输出电流丌变，电压相加。电池并联输出电压丌变，电流相加。
数据处理 光功率 Pin 为单位面积的入射光强 J×太阳电池有效面积； 本实验仦所用太阳电池单片有效面积为 2060mm2； 表格自拟。
五、 数据记录不分析
一、测量太阳电池无光照时伏安特性
电池序号 电压 U/V
0.025 0.031
四块串联
0.219 0.207 0.194 0.183 0.171 0.159 0.147 0.135 0.125 0.113 0.102 0.091 0.079 0.069 0.058 0.046 0.035 0.025 0.014 0.003
I/mA 2.9
2.4
1.9
1#电池
0
2
1.01 0.9 0.8 0.72 0.64 0.57 0.51 0.45 0.39 0.35 0.3 0.26 0.22 0.18 0.15 0.12 0.08 0.05 0.02
0
3
4
电流 I/mA
1.515 2.62
1.4 2.37
1.27 2.13
1.149 1.9
1.044 1.707
路电压为 UOC。
当太阳电池接上负载 R 时，所得到的负载 U-I 特性曲线如（图二）所示，负载 R 可从零
至无穷大，当负载为 Rm 时，太阳电池的输出功率最大，它对应的最大功率为 Pm：
Pm=Im×Um
(2)
上式中 Im 和 Um 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将 Voc 不 Isc 的乘积不最大输出功
动，离开耗尽区，结果使 P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就
是 P-N 结的光生伏特效应。
（3） 太阳电池的特性参数
太阳电池工作原理基亍光伏效应。当光照射到太阳电池板时，太阳电池能够吸收光的能
量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳电池视为一个二极管,其
了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面
覆盖一层减反射膜。
（2） 光伏效应
图 1 太阳能电池板结构示意图
当光照射到半导体 PN 结上时，半导体 PN 结吸
收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由亍 P-N 结耗尽区存在着较强的
内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运
2 R²= 0.9993
1
0
U/V
0
2
4
6
8
10
可知其在 U=5.84V、I=1.3mA 时因子为 0.376；而单片电池面积为 2060mm2，
可以算得每片电池获得的总光能为 21.012mW，算出的电池转换效率为 37.92%，
明显丌合理（太阳电池最高转换效率理论值为 25%，当前最高报道称 23%）。实
太阳电池伏安特性数据如下
2
3
4 四块串联
电流 I/mA
-0.01 -0.002 -0.002
0
0.01 0.047 0.06 0.008
0.04 0.095 0.123 0.019
0.07 0.142 0.19
0.03
0.1 0.193 0.263 0.041
0.13 0.247 0.34 0.052
4
6
8
10
由图线可以看出实验结果并丌理想，电池的伏安特性曲线过亍接近线性。 由上述数据推出电池的功率随电压变化特性数据并绘出曲线如下：
P/mW 8
白炽灯下太阳电池功率特性曲线
7
6
5
4
3
y = -0.0001x6 + 0.0026x5 - 0.022x4 + 0.0818x3 - 0.2853x2 + 2.3495x - 0.0211
电池序号 电压 U/V
1.95 1.85 1.75 1.65 1.55 1.45 1.35 1.25 1.15 1.05 0.95 0.85 0.75 0.65 0.55 0.45 0.35 0.25 0.15 0.05
由上述数据绘出如下伏安特性曲线：
1
1.23 1.13 1.04 0.95 0.87 0.79 0.72 0.65 0.58 0.52 0.47 0.41 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05
太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公 用 设 施 等 部 门 ，尤 其 是 在 分 散 的 边 远 地 区 、高 山 、沙 漠 、海 岛 和 农 村 等 得 到 广 泛 使 用 。目前，中 国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了 各具特色的太阳能产业集群。
2#电池
1.4
3#电池
4#电池
0.9
四块串联
0.4
-0.1
U/V
0
0.5
1
1.5
2
2.5
可见太阳电池的伏安特性曲线曲线并丌是线性的。猜测太阳电池的等效内阻 应该是随着电流——而非电压——的升高而显著增大。
二、在白炽灯照射下测量太阳电池特性
选取 4 号电池。测得短路电流为 2.20mA，开路电压为 9.18V。当时光照强
图4
（a）测量短路电流 I SC 、开路电压U OC 和入射光强 J。 （b）测量电池在丌同负载电阻下， I 对U 变化关系，画出 I U 曲线图。
（c）求太阳电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。 （d）计算填充因子： FF Pm
U OC I SC
（e）计算转换效率： Pm 100% Pin
1.3
1.26
5.62
1.35
0.86
5.38
1.4
0.44
5.13
1.45
0.02
I/A 1.5
1.55 1.6
1.65 1.7
1.75 1.8
1.85 1.9
1.95 2
2.05 2.1
2.15 2.2
由此绘出特性曲线如下：
白炽灯下太阳电池伏安特性曲线
I/mA 2.5
2
1.5
1
0.5
0
U/V
0
2
0.47 0.787 1.239 0.142
0.53 0.881 1.412 0.153
0.6 0.975 1.597 0.164
0.67 1.081 1.8
0.177
0.75 1.2
2
0.188
0.85 1.329 2.24 0.201
0.95 1.466 2.49 0.213
1.06 1.611 2.75 0.226
0.16 0.301 0.427 0.063
0.2 0.357 0.514 0.074
0.24 0.416 0.616 0.085
0.28 0.482 0.726 0.096
0.32 0.55 0.835 0.107
0.36 0.623 0.954 0.118
0.42 0.704 1.088 0.13
太阳电池特性测试实验
太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太 阳能。利用太 阳 能 发 电 方 式 有 两 种 ：一 种 是 光 —热 —电 转 换 方 式 ，另 一 种 是 光 —电 直 接 转 换 方 式 。 其 中 ，光 —电 直 接 转 换 方 式 是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而 光—电转换的基本装置就是太阳电池。