太阳能电池的特性测量一、实验简介太阳电池（SolarCells），也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点。世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。经过人们40多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源，如图1。随着太阳电池制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电。近年来，在美国和日本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网。从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位。太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要新能源。有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15%～20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定地位。二、实验原理当光照射在距太阳能电池表面很近的PN结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，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存在浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离PN结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率的载流子扩散到结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在空间电荷区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内电场的作用下被拉向p区。同样，在PN结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速拉向n区。结区内产生的电子-空穴对在内电场的作用下分别移向n区和p区。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PN结的内建电场方向相反的光生电场，在PN结上产生一个光生电动势，其方向由p区指向n区。这一现象称为光伏效应(Photovoltaiceffect)
太阳能电池的特性测量 一、 实验简介 太阳电池（Solar Cells），也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电 能的器件。由这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成 一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置 等相配套，即构成太阳电池发电系统，也称为之光伏发电系统。它具有不消耗常 规能源、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染 等优点。世界上第一块实用型半导体太阳电池是美国贝尔实验室于 1954 年研制 的。经过人们 40 多年的努力，太阳电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。 目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领 域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源，如图 1。随着太阳电池制造 成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电。近年来，在美国 和日本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网。从地球上化石燃料资源的 渐趋耗竭和大量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出 发，世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再 生能源开发利用的首位。太阳能光伏发电有望成为 21 世纪的重要新能源。有专 家预言，在 21 世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的 15% ~ 20%，成 为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定地位。 二、 实验原理 当光照射在距太阳能电池表面很近的 PN 结时，只要入射光子的能量大于半 导体材料的禁带宽度Eg，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存在浓度梯度而要扩散。 只要少数载流子离 PN 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率的载流子扩散 到结界面处。在 p 区与 n 区交界面的两侧即结区，存在空间电荷区，也称为耗尽 区。在耗尽区中，正负电荷间形成电场，电场方向由 n 区指向 p 区，这个电场称 为内建电场。这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内电场的作用下被拉 向 p 区。同样，在 PN 结附近 p 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处， 也会被内建电场迅速拉向 n 区。结区内产生的电子-空穴对在内电场的作用下分 别移向 n 区和 p 区。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 PN 结的内建电场方向相反的光生电场，在 PN 结上产生一个光生电动势，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Is。同时，由于PN结二极管的特性，存在正向二级管电流Ip，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1为两个电流之差：(1)I = Is(0) - Ip(U)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Is，以及取决于端电压U的正方向电流Ip(U)。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Ip(U)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ID(U)迅速增加。4P.,-U....UUU图2在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（Umax，Imax：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，它等于光生电流Is。当太阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U。。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负载电阻为Rmax时达到一个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。Ri =o(2)Is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F=Pmax(3)Uo*Is
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Is。同时，由于 PN 结二极管的特性，存在正向二级 管电流ID，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 𝐼𝐼为两个电流之差： 𝐼𝐼 = 𝐼𝐼𝑆𝑆(∅) − 𝐼𝐼𝐷𝐷(𝑈𝑈) （1） 如果连接一个负载电阻𝑅𝑅，电流𝐼𝐼可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照 度𝛷𝛷的负方向电流𝐼𝐼𝑆𝑆，以及取决于端电压𝑈𝑈的正方向电流𝐼𝐼𝐷𝐷(𝑈𝑈)。 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𝐼𝐼𝐷𝐷(𝑈𝑈)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𝐼𝐼𝐷𝐷(𝑈𝑈)迅速增加。 图 2 在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（𝑈𝑈𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚，𝐼𝐼𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚： 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，它等于光生电流𝐼𝐼𝑆𝑆。当太 阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U0。 在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻𝑅𝑅。太阳能电池的 输出功率在负载电阻为𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚时达到一个最大功率𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚，𝑅𝑅𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚近似等于太阳能电 池的内阻Ri。 𝑅𝑅𝑖𝑖 = 𝑈𝑈0 𝐼𝐼𝑆𝑆 （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 𝐹𝐹 = 𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚 𝑈𝑈0∗𝐼𝐼𝑆𝑆 （3）
F称为填充因数。此外，太阳能电池的输出功率P=U*I(4)是负载电阻R=U(5)1的函数。我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会产生更大的开路电压U。，而并联会产生更大的短路电流Is。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和电源的功率来实现。三、实验内容00024Q00D图3实验装置图1.仪器调整，实验状图如图示3所示。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3V
𝐹𝐹称为填充因数。 此外，太阳能电池的输出功率 𝑃𝑃 = 𝑈𝑈 ∗ 𝐼𝐼 （4） 是负载电阻 𝑅𝑅 = 𝑈𝑈 𝐼𝐼 （5） 的函数。 我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会产生更大的开路 电压𝑈𝑈0，而并联会产生更大的短路电流𝐼𝐼𝑆𝑆。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 离和电源的功率来实现。 三、 实验内容 图 3 实验装置图 1. 仪器调整，实验状图如图示 3 所示。 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 3V
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。2.测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压Uo和短路电流Is1）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和调节电源输出功率，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。3）断开电路，测量并记录开路电压。4）调节电源功率，分别使短路电流约为35mA，25mA和15mA，并重复上述测量。3.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。根据测的数据，用坐标纸绘出U-I曲线，P-R特性曲线，并计算填充因数的平均值。四、实验仪器太阳能电池实验装置包括：太阳能电池两块、插件板（A4大小）、万用表两块（附带表笔）、卤素灯、电压范围为2~12V的稳压源。太阳能电池两块：实际照片和程序中的显示：实际仪器仿真仪器操作提示：实验中仪器可以进行连线操作，标有“+”字的一端为正极，标有“_”字的一端为负极。插件板：插件板的面板结构如下图所示。“日”字型的结构中每个插孔都是相互连通
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。 2. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压 U0 和短路电流 Is 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 的距离和调节电源输出功率，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。 3) 断开电路，测量并记录开路电压。 4) 调节电源功率，分别使短路电流约为 35mA，25mA 和 15mA，并重 复上述测量。 3. 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。 根据测的数据，用坐标纸绘出 U-I 曲线，P-R 特性曲线，并计算填充因数 的平均值。 四、 实验仪器 太阳能电池实验装置包括：太阳能电池两块、插件板（A4 大小）、万用表两 块（附带表笔）、卤素灯、电压范围为 2~12V 的稳压源。 太阳能电池两块： 实际照片和程序中的显示： 实际仪器 仿真仪器 操作提示： 实验中仪器可以进行连线操作，标有“+”字的一端为正极，标有“-”字 的一端为负极。 插件板： 插件板的面板结构如下图所示。“日”字型的结构中每个插孔都是相互连通
的。但任何两个“日”字型结构之间是不导通的。“田”字型的结构中每个插孔都是相互连通的。但任何两个“田”字型结构之间是不导通的。“二”字型的结构中每个插孔都是相互连通的。但两个“一”字型结构之间是不导通的。我们可以用元器件，导线和连接器等连接成我们需要的电路。实际仪器仿真仪器使用方法：实验中太阳能电池板和电位器均已经默认插在插件板上，太阳能电池板与电位器之间用桥接插头串联在一起。通过选择不同的接线柱与万用表进行连接，可以测量电池板两端的电压以及电路中流过的电流。稳压源：实验中为卤素灯提供工作电压的装置，输出电压范围为2~12V，额定功率100W。GY-18型可调钨灯天律港东科技发果股份有阻公司
的。但任何两个“日”字型结构之间是不导通的。“田”字型的结构中每个插孔 都是相互连通的。但任何两个“田”字型结构之间是不导通的。“一”字型的结 构中每个插孔都是相互连通的。但两个“一”字型结构之间是不导通的。我们可 以用元器件，导线和连接器等连接成我们需要的电路。 实际仪器 仿真仪器 使用方法： 实验中太阳能电池板和电位器均已经默认插在插件板上，太阳 能电池板与电位器之间用桥接插头串联在一起。通过选择不同的接线柱与万用表 进行连接，可以测量电池板两端的电压以及电路中流过的电流。 稳压源： 实验中为卤素灯提供工作电压的装置，输出电压范围为 2~12V，额定功率 100W