太阳能电池性能的研究
目前能源的重要性越来越被人们所重视，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已经成为世界关注的问题。

为了可持续性发展，人们大量开发了诸如风能、水能等清洁能源，其中以太阳能电池作为绿色能源的开发前景较大。

本实验仪器旨在提高学生对太阳能电池基本特性的认识、学习和研究。

一、 实验目的
（1） 了解太阳能电池的工作原理及性能； （2） 学习太阳能电池性能的测量与研究方法。

二、 实验仪器
LB-SC 太阳能电池实验仪、太阳能电池板、连线若干、60W 白炽灯、挡板。

三、 实验原理
太阳能电池又叫光伏电池，它能把外界的光转为电信号或电能。

实际上这种太阳能电池是由大面积的PN 结形成的，即在N 型硅片上扩散硼而形成的P 型层，并用电极引线把P 型和N 型层引出，形成正负电极。

为防止表面反射光，提高转换效率，通常在器件受光面上进行氧化，形成二氧化硅保护膜。

短路电流和开路电压是太阳能电池的两个非常重要的工作状态，它们分别对应于负载电阻0L R =和L R =∞的情况。

在黑暗状态下太阳能电池在电路中就如同二极管。

因此本实验要测量出太阳能电池在光照状态下的短路电流I sc 和开路电压U oc ，最大输出功率P M 和填充因子FF 以及在黑暗状态下的伏安特性。

在U = 0情况下，当太阳能电池外接负载电阻L R 时，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。

只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值
m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R =，而LB R 则取决于太阳能电池的内阻SC
OC
i I U R =。

由于U oc 和SC I 均随光照强度的增强而增大，所不同的是U oc 与光强的对数成正比，
SC I 与光强(在弱光下)成正比 ，所以i R 亦随光强度变化而变化。

U oc 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。

最大输出功率m P 与U oc 和SC I 乘积之比，可用下式表示
SC
OC I U Pm
FF =
(1)
式中FF 是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子，填充因子一般在0.5~0.8之间。

黑暗状态下的太阳能电池工作如图1所示
此时加在它上面的正向偏压U 与通过的电流I 之间关系式为：
0(1)U I I e β=- （2） 式中I 0和β是常数，I 0为太阳能电池反向饱和电流，B k T
e
β= = 1.38x10-23x300/1.602X10-19 = 2.6*10-2 V -1 。

在光照状态下，如果设想太阳能电池是由一个理想电流源、一个理想二极管、一个并联电阻R sh 与一个电阻R S 所组成，那么太阳能电池的工作如图2 所示
图2中I ph 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，I d 为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。

由基尔霍夫定律得：
()0S ph d sh IR U I I I R +---= （3）
（3）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。

由（4）式可得 (1)s ph d sh sh
R U I I I R R +
=-- （4） 假设sh R =∞ 和0s R = 太阳能电池可简化为图3所示 这里，0(1)U
ph d ph I I I I I e
β=-=--。

在短路时，0,ph sc U I I == 而在开路时，00,(1)0oc
U sc I I I e β=--=；
可以得到：0
1
ln(
1)sc
OC I U I β
=
+ （5） （5）式即为在sh R =∞和0s R =的情况下，太阳能电池的开路电压U oc 和短路电流I SC 的关系式。

其中U oc 为开路电压，I SC 为短路电流。

四、 实验装置
1、本仪器采用立式结构，以防止横置光源对其他学生的影响；
2、光源采用白炽灯，光强5档可调，更换方便；
3、太阳能电池板4块：其中单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池各2块(单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池的性能基相同。

单晶硅太阳能电池的平均转换效率比多晶硅太阳能电池的平均转换效率高)；
4、太阳能电池开路电压最大5V, 短路电流最大80mA ，负载电阻10K 可调，加载电压0 ~ 5V 可调；
5、太阳能电池板俯仰可调，可模拟阳光在不同照射角度下对太阳能电池板吸收功率的影响。

五、实验内容和步骤
1．在光照状态下太阳能电池的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大输出功率Pm，最佳负载及填充因子FF的测量；
（1）打开电机箱电源，将控制白炽灯电源的“开灯/关灯”开关置于“开灯”，并把“亮度调节”旋钮调到最小；
（2）将太阳能电池的插头用线连接到电机箱的相同颜色插头上（注意连接插头时要连接同一块电池板的两个插头），将“明暗状态开关”拨到“明状态”，加载电压调到0v，“负载调节”（负载电阻）旋钮逆时针调到最小，此时电流表上有电流显示，这是外界光产生的本底光电流；
(3) 将灯源亮度调到Ⅳ挡位置，逆时针调节负载电阻旋钮到最小，测出太阳能电池的短路电流Isc，顺时针调节负载电阻旋钮到最大，测出太阳能电池的开路电压Uoc;
(4) 将灯源亮度调到Ⅳ挡位置，调节负载电阻，由最小逐渐调到最大，可以看见光电流及负载电压的变化，负载电压每隔0.2V左右测量负载的电压和电流值。

2. 太阳能电池的短路电流Isc、开路电压Uoc与相对光强关系的测量
分别将“负载调节”旋钮（负载电阻）调到最小和最大，改变白炽灯光强度(旋转“亮度调节”旋钮)，分别记录下短路电流和开路电压。

白炽灯光强度刻度分有Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ挡，相对光强分别对应20%、40%、60%、80%和100%。

3. 不同角度光照下的太阳能电池板输出功率的测量
将灯源亮度调到Ⅳ挡位置，将“负载调节”旋钮（负载电阻）固定在负载电压V=1.30～V=1.50伏之间，测量太阳能电池板在不同俯仰角时的电流和电压值。

比较不同照射角度对太阳能电池板输出的影响。

4. 太阳能电池板的串联并联特性的研究
（1）串联
将两个太阳能电池对应的红黑插座用插线串联起来（用插线将左边的太阳能电池的黑插座连到右边太阳能电池的红插座上，并将剩余的两个插座与机箱上对应颜色的插座连接起来），此时重复光照状态下的测试实验，观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电压、短路电流与串联时的区别。

并思考实际开路电压与理论上的不同之处。

注意串联光电池应该是同一种类的。

（2）并联
将每个太阳能电池对应的红黑插座用插线并联起来（用插线将左边的太阳能电池的插
座连到右边太阳能电池相同颜色的插座上，将太阳能板上的插座与机箱上对应颜色的插座连接起来），此时重复光照状态下的测试实验，观察在最大照明状态下单个太阳能电池板的开路电压、短路电流与并联时的区别。

并思考实际短路电流与理论上的不同之处。

注意并联光电池应该是同一种类的。

5. 太阳能电池的伏安特性曲线的研究
在没有光照的情况下，测量在正向偏压的情况下，太阳能电池的伏安特性曲线。

关闭白炽灯，用遮光板将太阳能电池完全盖住，将“明暗状态开关”拨到“暗状态”，太阳能电池处于全暗状态，把可调负载电阻调到最大，此时负载电压u 2是负载电阻两端电压，太阳能电池两端电压u 等于加载电压U 1减去负载电压U 2。

将加载电压U 1从0开始逐渐增大，观察负载电压u 2和电流值，当负载电压u 2或电流值不为零时开始测量，加载电压每隔0.2V 左右测量负载电压u 2和电流值，要求不少于10个测量点。

此时太阳能电池如同一个二极管的工作。

六、 数据表格及数据处理 1. 太阳能电池填充因子的测量
表1 不同负载电阻时的负载电压和光电流的测量
本底光电流I 0 = （mA ）
短路电流Isc= ( mA ) 开路电压Uoc= ( V )
计算出不同负载电阻时的功率数值，并绘制出负载电阻（K Ω）与功率P （mW ）的关系曲线，在曲线上找出功率最大值和对应的最佳负载R ，利用公式（１）计算出太阳能电池的填充因子max
sc oc
P FF I U。

2. 太阳能电池的短路电流Isc、开路电压U oc与相对光强关系的测量
表2 光强比与开路电压、短路电流的测量
绘制3种关系曲线（光强比与开路电压、光强比与短路电流以及开路电压与短路电流），分析它们之间的相互关系。

求出近似函数关系并对比开路电压和短路电流的关系。

3. 不同角度光照下的太阳能电池板的电压、电流的测量
表3 不同俯仰角时的电压、电流的测量
绘制出不同角度光照下的太阳能电池与输出功率的关系曲线ϕ～P 。

4. 太阳能电池串并联的测量
表4太阳能电池串并联时电压、电流的测量
5.太阳能电池的伏安特性曲线的测量
绘制太阳能电池的伏安特性曲线（U～I），把它与二极管加正向偏压下的状态作个比较。

求出正向偏压时，太阳能电池电压与电流的经验公式。

七、注意事项
1.实验结束后将灯的光强调至最暗。

2.白炽灯带高压，拆卸时需将电源关闭，不要带电插拔电源机箱后方的航空插头。