实验12 太阳能电池（工科）目录一、实验目的 (2)二、实验仪器 (2)三、实验原理 (2)四、实验内容与步骤 (5)五、数据处理 (7)六、注意事项 (7)七、参考文献 (7)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1亿5千万公里。

在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m2，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，太阳辐射的功率密度约为1kW /m2，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。

硅太阳能电池分为单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池。

本实验研究多晶硅太阳能电池的特性。

THQTN-1 型太阳能电池特性测试实验仪一、实验目的1．熟悉太阳能电池的工作原理；2．太阳能电池的暗伏安特性测量3．太阳能电池光电特性测量。

二、实验原理（1）太阳能电池板结构图3 太阳能电池板结构示意图以硅太阳能电池为例：结构示意图如图3。

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，这样就形成了太阳能电池板。

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，图为P-N结示意图。

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。

在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，由P=IV得到输出功率，从而掌握其输出功率伏安特性如右图。

用光照射到半导体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。

由于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）太阳能电池的特性参数N势垒电场方向空间电荷区P图半导体P-N结示意图输出电流I P max（输出功率）I SCV OC输出电压V图太阳能电池的输出特性太阳能电池工作原理基于光伏效应。

当光照射到太阳能电池板时，太阳能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, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压U 与通过的电流I 的关系为)1(0-=nKTqV eI I ( 1 )I 是二极管的反向饱和电流，n 称为理想系数，是表示PN 结特性的参数，通常为1。

K 是波尔兹曼常数，q 为电子的电荷量，T 为热力学温度。

（可令nKTq=β）当太阳能电池短路时，我们可以得到短路电流为I SC ，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为U OC 。

当太阳能电池接上负载R 时，所得到的负载U-I 特性曲线如（图四）所示，负载R 可从零至无穷大，当负载为Rm 时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为P m ：P m =I m ×U m ( 2 )上式中I m 和U m 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将V oc 与I sc 的乘积与最大输出功率P m 之比定义为填充因子FF ：SCOC m m SC OC m I U IU I U P FF ==( 3 )FF 为太阳能电池的重要特性参数，FF 越大则输出功率越高。

FF 取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能P in 之比，即%100⨯=inm P Pη ( 4 )P in 为单位面积的入射光强J ×太阳能电池有效面积,J 由光功率计探头测定图4太阳能电池的伏—安特性曲线三、实验仪器THQTN-1型 太阳能电池特性测试实验仪。

（一）技术指标1．太阳能电池 60mm ×60mm ×42．单片太阳能电池功率 0.3W (标准测试条件：AM1.5 25℃ 1000W/M 2下)3．开路电压： 4.72V(标准测试条件：AM1.5 25℃ 1000W/M 2下) 4．短路电流： 88mA(标准测试条件：AM1.5 25℃ 1000W/M 2下) 5．白炽灯功率： 60W（二）实验仪器THQTN-1型 太阳能电池特性测试实验仪主要由两部分组成：（一）太阳能电池实验仪部分主要由：白炽灯及灯具座、太阳能电池板、光功率计探头、导轨、滑块及锁紧螺钉、底座等组成（详见图1）。

图1 实验仪结构简图（二）太阳能电池测试仪部分主要由直流电压表、直流电流表、入射光强指示、直流稳压电源及负载等组成（详见图2）。

图2 测试仪面板图四、实验内容与步骤打开测试仪电源，预热几分钟。

1、测太阳能电池无光照时的伏安特性（直流偏压从0~2V）(1）RW表电源自带内阻（不耍连接工具箱上电阻R），针对一片太阳能电池1作I—U曲线。

(2）连接测量电路如图5所示（注：太阳能电池板接线时，应用手扶住太阳能电池盒）：图5E+→A+→A_→V+→V-→E-，电池1+→V+，电池1-→V-严格照图连接，A,V表不可换位(否则电流表显负号) 。

(3) 盖上暗室盖，如图搭好电路，电流取2mA档，进行测量，记录实验数据。

（有时要取20mA档, 否则显负）利用测得的正向偏压时I—U关系数据，画出I—U曲线。

盖上遮光罩U与I关系如下：表1U（V）0.050.150.200.300.400.450.50I（mA）U（V）0.550.650.700.800.900.95 1.00I（mA）U（V） 1.05 1.15 1.20 1.30 1.40 1.45 1.50I（mA）U（V） 1.55 1.65 1.70 1.80 1.90 1.95 2.00I（mA）2、在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性(4片串联负载特性更明显)。

连接测量电路如图6所示：注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm之后。

(1)将4片太阳能电池尾首相接，选择光源到太阳能电池距离选择为35cm，固紧锁紧螺钉（注：太阳能电池板接线时，应用手扶住太阳能电池盒）：将光功率探头与入射光强显示连线连好。

(2)电路图连接，将E+改作R+,E-改作R-，R+接A-,A+接V+,V-接R-,电池1+→V+，电池4-→V-即可。

注意:1中A+接E+，2中A+接V+图6I 曲线图。

记录太阳能电池的输出电压V(3)打开光源数分钟；测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出U和电流I,并计算输出功率P O=V×I，填于表中。

找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载R。

(4)参考数据: J=1.1mW/cm2, 最佳匹配负载R。

约5000Ω,R<5000Ω, 电流取20mA档, R>5000Ω, 电流取2mA档表2 太阳能电池输出特性实验光强J=输出电压多晶硅V (V)负载电阻（欧） 输出电流I (A)输出功率P O (mW)10002000…..90003、测量短路电流SC I 和开路电压OC U 及入射光强J ；(R=R 。

)（1）测量短路电流SC I (R 调至0)、开路电压OC U (将A+、A-拔出即可)并记录入射光强J 。

（2）求太阳能电池的最大输出功率，最佳工作电压和最佳工作电流。

（3）计算填充因子：SCOC mI U P FF =（4）计算转换效率：%100⨯=inmP P η表3 太阳能电池的填充因子 光照强度：W/m 2 多晶硅开路电压V OC （V ）短路电流I SC （mA ）I SC * V OCP MAX填充因子F ．F计算转换效率：光照强度：mW/cm 2 多晶硅输出最大光功率 入射光功率 转换效率4、选作实验（1）电池的串联和并联选用两片电池，分别串. 并联，重复2.3，比较其特性。