实验17太阳能电池伏安特性的测量研究报告新能源_行业资料-能源与动力工程.pdf

实验 17 太阳能电池伏安特性的测量 太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的半导体器件。它是太阳能发 电系统的心脏。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无噪音、无污染 等优点。太阳能电池已作为空间探索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，航标灯的重要电源。目前，太阳电池已广泛用于收音机、计算机、交 通信号等方面。在发达国家太阳能光伏发电已进入城市电网。太阳能光伏发电有望成为 21 世纪的重要能源，在世界能源构成中占有一定的地位。实验目的 1.了解太阳能电池的工作原理及基本结构。2.测量太阳能电池的伏安特性曲线。实验原理 1.太阳能电池的结构 硅光电池按衬底材料的不同可分为 2DR 和 2CR 型。图 1 为 2DR 型结构示意图。它是 以 P 型硅为衬底（厚约 500 m），在其上 面用扩散法制作一层厚约 0.3 m 的 N 型 层，并将它作为受光面。在 N 型层上制作 金属栅线，作为输出电极，目的是减小光 电池的内阻。在整个背面制作金属膜背电 极。在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透 明膜，它既可以起到防潮，防尘等保护作 用，又可以减小硅光电池表面对入射光的 反射，增强对入射光的吸收。2CR 型电池 图 1 硅太阳能电池结构示意图 则是以 N 型硅为衬底制作的。2.PN 结的内建电场 在 P 型（或 N 型）半导体衬底上，用扩散方法形成一层 N 型(或 P 型）层。在 P 区（空穴导电）和 N 区（电子导电）交界 处，由于两边电子和空穴浓度不同，P 区 的空穴向 N 区扩散，N 区的电子向 P 区扩 散。于是，在 P 区形成负电层，N 区形成 正电层，如图 2 所示。这两个带电层形成 图 2 载流子扩散形成内电场 一个内电场，它反过来又阻挡上述扩散，直到扩散作用与阻挡作用达到一种动态平衡。一般所说 PN 结就是指这层阻挡层。如果在 PN 结两端外加正向电压（P 区接正，N 区接负），如图 3（a）所示。则外加电 (a)(b)图 3 正向偏置电压 场与 PN 结内建电场方向相反，它将削弱内电场对载流子扩散运动的阻挡，使扩散继续 进行。而且由电源补充扩散电荷，使二极管导通，形成稳定的电流。其电路符号如图 3（b）。3.PN 结的光电转换过程 光照射在 PN 结上时，存在下列几种情况：1）光被半导体表面反射而不能进入材料内部。例如洁净硅表面对 0.41 微米波长的光的反射系数约为 30%。这对光电池是一个很大的损失。因此应采用合适的表面抗反射 涂层来减少损失。2）进入半导体材料的光子能量若小于材料的禁带宽度，光线将透过该材料而不被吸 收。因此选择适当的半导体材料和制作工艺，使太阳能电池有较好的光谱特性是十分 重要的。常规的硅光电池光谱响应波长范围在 0.41 m，峰值响应波长约为 0.9 m.3)进入电池的光子能量大于半导体材料禁带宽度时，能在材料内产生电子一空穴对，但 若没有一种机制将电子一空穴对分离开，电子与空穴又 将很快复合而不能成为载流子。PN 结的内建电场在分离电子一空穴对的过程中起了 关键的作用。电子与空穴如果在复合之前受到内电场作 用，把 P 区产生的电子拉到 N 区，而把 N 区产生的空穴 拉向 P 区。使 N 区获得附加的负电荷，P 区获得了附加 的正电荷。这样，在 PN 结上产生了一个光生电动势。这 一现象称为光伏效应。4.光电池的等效电路 在光照条件下，如果图 4 中的光电池的外回路断开(R )，产生了数值等于开路电压 V OC 的最大光生电势。如果将光电池外负载短路（R=0），那么被结分开的电子和空穴不可能在结处积累，在光生电势的驱使下流经外回路，产生了 数值等于短路电流 Isc 的最大的光生电流 I P。光电池外按负载 R 这是正常使用情况。光生 电流流经 R 产生一个电压降 V=IR（图 4）。从而使 P 区电位高于 N 区，相当于图 3（a）中 的正向偏置电压。因此在 PN 结中有从 P 区流向 N 区的二极管导通电流 I D。它的方向与光 生电流方向相反。通过上面的分析，可以画出光电池的等效电路（图 5）。太阳能电池相当于一个电流为 I P 的恒流源。它在工作时又相当于一个导通的 二极管，存在导通电流 I D。R Sh 是 PN 结的并联电 阻。表示 PN 结存在泄漏电流。不过在现代工艺条 件下。泄漏电流很小，可以认为 RSh 远大于 RS 和 R 而忽略不计。RS 是太阳能电池电极等引起的串联电 阻。在制作太阳能电池时，应尽量减小R S .图 5 光电池的等效电路 5.硅光电池的伏安特性 由光电池等效电路可以看出，流过负载的电流 I=I P-I D。式中的 I D 是因 PN 结二极管特性 存在的导通电流。ev I D I O exp nkT 1(1)I O 为二极管反向饱和电流,V 为 PN 结两端电压；e 是电子电量；k 是玻尔兹曼常数；T 为热力学温度；n 称为理想系数，是表示 PN 结特性的参数，其理论值为 1，取值在 12 之 间。于是，光电池输出电流 电能的半导体器件它是太阳能发电系统的心脏它具有不消耗常规能源寿命长维护简单使用方便无噪音无污染等优点太阳能电池已作为空间探索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的重要电源目前望成为世纪的重要能源在世界能源构成中有一定的地位实验目的了解太阳能电池的工作原理及基本结构测量太阳能电池的伏安特性曲线实验原理太阳能电池的结构硅光电池按衬底材料的不同可分为以型硅为衬底厚约在其上面用扩散面制作金属膜背电极在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜它既可以起到防潮防尘等保护作用又可以减小硅光电池表面对入射光的反射增强对入射光的吸收型电池则是以型硅为衬底制作的结的内建电场在型或型半导体衬底上用扩 ev I I P I O exp nkT 1?(2)式中 I P 是光生电流；当太阳能电池输出端短路时，V=0，由式（2）可知短路电流 ISC=I P (3)即太阳能电池的短路电流等于光生电流。当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由式（1）和式（3）可得开路电压 Voc nkT I sc 1 (4)In I0 e 太阳能电池接上负载 R 时的伏安特性曲线如图 （6）所示。在最佳负载 Rm 情况下，可使电池输出功率最大 Pm I mVm (5)式中 I m 和 V m 分别为最佳工作电流和最佳工作 电压。定义填充因子 图 6 硅光电池的伏安特性曲线 Pm VmI m(6)FF VocI sc Voc I sc 填充因子 FF 为太阳能电池的重要表征参数。FF 越大。说明电池对太阳能的利用率越高。FF 取 决于入射光强，材料的禁带宽度，理想系数，串联电阻，并联电阻等。太阳能电池的转换效率 定义为其最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能 P 之 比。PM 100%(7)P 它与入射光的波长和电池的材料有关。实验仪器 硅太阳能电池、60W 白炽灯、电阻箱、数字万用表、稳压电源。实验内容 1 无光照时，在正向偏压下测量硅光电池的伏安特性。按图（7）接电路，无光照时，硅光电池在正向偏置电压下的导通性质类似普通二极管。偏压由 0.62.0V，注意在 V 较大时，测得密一些，将数据记入表 1。由式（1）I e V 1 我们估计一下指数的量级：enKT I 0 波尔兹曼常数 k=1.38 10-23 J/K，e=1.6 10-19C,常温下 T300K，取理想因子 n=2,则 nkT2 300 1.38 23 -21-20 J。10-=8.28 10 10 若正向偏压 V1V，则 eV 1.6 10 19 J.因此 图 7 无光照测量 IV 电能的半导体器件它是太阳能发电系统的心脏它具有不消耗常规能源寿命长维护简单使用方便无噪音无污染等优点太阳能电池已作为空间探索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的重要电源目前望成为世纪的重要能源在世界能源构成中有一定的地位实验目的了解太阳能电池的工作原理及基本结构测量太阳能电池的伏安特性曲线实验原理太阳能电池的结构硅光电池按衬底材料的不同可分为以型硅为衬底厚约在其上面用扩散面制作金属膜背电极在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜它既可以起到防潮防尘等保护作用又可以减小硅光电池表面对入射光的反射增强对入射光的吸收型电池则是以型硅为衬底制作的结的内建电场在型或型半导体衬底上用扩 e V eV enKT 1,即有 InI InI 0。由 InIV 图直 nKT 线截距 InI O 可求得饱和暗电流 I O，由斜率可求得 e/nkT。2.测量光电池的负载特性。(1)按图（8）接电路，不加偏压。白光源到光电池的距离 20cm（使光线直射在光电 池）。为避免环境杂散光干扰，在光电池的侧面加放遮光罩。改变负载电阻，测量光电组输出 1、V，电阻 R 取值从 0.1k 50k ,数据记入表 2.（2）作硅光电池的伏安特性曲线。沿曲线变化趋 势使曲线分别与 I 轴和 V 轴相交，找出短路电流 I sc 和 开路电压 V oc 并与直接测量结果 I sc，I oc 比较。（3）作输出功率 P 随负载电阻变化的关系曲线。找出对应最大输出功率 PM 的最佳负载电阻 RM。（4）在 IV 图上，由斜率为 I RM 的直线，与曲 线的交点坐标可求硅光电池最佳工作电流 I M 和最佳工作电压 图 8 有光照测量 IV V M，进而求出填充因子 FF VMIM VOC I SC 数据表格 表 1 光照正向伏安特性 V（v）I（A）InI 表 2 光电池的负数特性 R(k)0 V(v)I(mA)P(mW)R(k)V(v)I(mA)P(mW)观察与思考 观察与思考 1.做完实验后，把光源前移和后移，改变与光电池的距离，测一下短路电流 I SC 与开路电 压 V,OC 的变化情况。2.考虑一下，硅光电池除了用作电池，还可能有什么用处？把你的创意用框图表示出来。电能的半导体器件它是太阳能发电系统的心脏它具有不消耗常规能源寿命长维护简单使用方便无噪音无污染等优点太阳能电池已作为空间探索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的重要电源目前望成为世纪的重要能源在世界能源构成中有一定的地位实验目的了解太阳能电池的工作原理及基本结构测量太阳能电池的伏安特性曲线实验原理太阳能电池的结构硅光电池按衬底材料的不同可分为以型硅为衬底厚约在其上面用扩散面制作金属膜背电极在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜它既可以起到防潮防尘等保护作用又可以减小硅光电池表面对入射光的反射增强对入射光的吸收型电池则是以型硅为衬底制作的结的内建电场在型或型半导体衬底上用扩