实验目的
1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s 。
2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。
3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。
原理
当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1）。
那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。
只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。
在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，也称为耗尽区。
在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。
只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。
光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。
这导致在n 区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。
它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。
这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect ）。
图1 太阳能电池的工作原理
太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。
当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。
同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反。
因此，实际获得的电流I 为两个电流之差：
)()(D S U I ΦI I -= （1）
如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的
负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。
在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流I D 可以被忽略。
在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流I D （U ）迅速增加。
图2 在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（U max ，I max ：最大功率点）
当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流等与光生电流I s 。
当太阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U 0。
在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R 。
太阳能电池的输出功率在最大负载电阻R max 时达到一个最大功率P max ，R max 近似等于太阳能电池的内阻R i 。
R i = U 0/I S （2）
这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小（见图2），它们之比为
S
0max
I U P F ⋅=
（3）
F 称为填充因数。
我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。
串联会导致更大的开路电压U 0，而并联会导致更大的短路电流I S 。
在本实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录在四个不同的光照强度时电流和电压特性。
光照强度通过改变光源的距离来实现。
此外，太阳能电池的输出功率
P=U·I （4）
是负载电阻
R=U /I （5）
的函数。
仪器
太阳能电池两块 插件板： A4大小
万用表两块
一个光源：卤素灯
一个稳压源：2~12V ，100W
图3 实验装置
仪器调整
实验装置见图3。
1. 把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来（串联起2个太阳能电池）。
2. 插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上。
3. 连接电流表，使它和电池、可变电阻串联。
选择测量范围：直流200mA。
4. 连接电压表使之与电池并联，选择量程：直流2V。
5. 连接卤素灯与稳压源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光。
实验步骤
1. 接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变卤素灯的距离或调节光源输出光功率，使短路电流大约为45mA。
2. 逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流和电压值，记入表格1。
3. 断开电路，测量开路电压并记录。
4. 调节电源功率，调整短路电流约35mA，25mA和15mA，并重复上述测量。
5. 根据表1，用坐标纸或Excel绘出U-I曲线。
6. 根据表2，坐标纸或Excel绘出P-R特性曲线。
7. 计算表格3的物理量。
8．由表格4计算填充因数的平均值。
数据记录表格
表1：测量太阳能电池的端电压U和通过负载电阻的电流I(短路电流I S开路电压U0)
表2：根据表1测量的U和I值计算得到的P和R值
表3：对应于最大功率的负载电阻值R max和根据（2）式计算出的内阻值R i
表4：最大功率P max和开路电压与短路电流的乘积
思考题
1.由表1绘出的伏安特性曲线说明负载电阻R、端电压U及光的辐射强度之间的关系。
2.由表2绘出P-R特性曲线说明在一定的光照强度下，P与R之间的关系。
3.太阳能电池的短路电流与光照强度之间是什么关系
4.在一定的负载电阻下，太阳能电池的输出功率取决于什么何时输出功率最大且与光照强
度有怎样的关系
5.对于负载电阻较小时，太阳能电池表现出什么特性，而负载电阻较大时有什么特性。