大学物理研究性实验报告太阳能电池的特性测量.docx

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1、摘要在正文第一部分，我从一名大二本科生角度对实验原理进行了系统地重新表述，查阅资料补充了部分电学必要知识（例如禁带宽度定义），同时我还根据自己理解写出了太阳能电池基本原理和太阳能电池器件等效电路。在正文第二部分，本文详细介绍了操作需要用到仪器并细致地描述了实验操作各个流程。在正文第三部分，本文重新进行了数据处理，并初步分析了实验误差，标注了实验注意事项以及对实验课后思考题做出了自己回答。在正文第四部分，也就是讨论部分，我做了大量工作。先分析了影响太阳能电池转换效率因素，然后提出了两种实验改进方法，接着提出了禁带宽度测量方法，最后探索了实际P-N结与理想模型之间差别以及对实验数据影响。并且在第四

2、部分最后我还写了两年来自己学习物理实验实验感想以及收获。关键词：太阳能电池 开路电压 短路电流 输出特性 AbstractIn the first part of the text, from the perspective of a sophomore undergraduate experimental principle rephrase supplemented with some electrical knowledge necessary (for example, the band gap of the definition), access to information, at

3、 the same time I also according to their understanding to write the equivalent circuit of the basic principles of solar cells and solar cell devices.In the second part of the text, this article details the operation requires the use of instruments and detailed description of the experimental operati

4、on of the various processes.In the third part of the text, re-processing, and a preliminary analysis of the experimental error, marked experimental Notes and Questions experimental after-school made its own answer.In the fourth part of the text, that is, the discussion section, I have done a lot of

5、work. First analyze the factors affecting the conversion efficiency of the solar cell, and then the two experimental improved method, followed by the forbidden bandwidth of the measuring method, and the last explore the difference between the actual PN junction with the ideal model and the experimen

6、tal data. And I also wrote in the fourth part of the last two years studying physics experiment experimental feelings and harvest.Key word: Solar cell Open-circuit voltage Short-circuit current Output Characteristics目录第一部分 实验原理的重新表述1一、实验要求1二、实验原理11.太阳能电池的分类12.P-N结13.禁带宽度24.太阳能电池的伏安特性曲线及相关特性参数25.太阳能电

7、池的基本原理46.太阳能电池器件的等效电路4第二部分 实验内容及操作详细流程5三、仪器介绍5四、实验内容及操作详细流程71.硅太阳能电池的暗伏安特性测量72.开路电压，短路电流与光强关系测量73.太阳能电池输出特性实验84.注意事项8第三部分 数据的重新处理与深入思索9五、太阳能电池基本特性测量91.硅太阳能电池的暗伏安特性测量92.开路电压、短路电流与光强关系测量103.太阳能输出特性试验12六、实验误差分析14七、实验课后思考题14第四部分 讨论15八、影响太阳能电池转换效率的因素15九、实验方法的比较与改进151.传统的太阳能电池伏安特性测量方法152.利用计算机和Labcoder数据采

8、集分析系统改进实验163.利用单片机改进实验18十、禁带宽度的测量191.测量原理192.测量方法19十一、实际P-N结与理想模型之间的差别20P-N结的伏安特性分析及等效电路20十二、实验感想与体会221.课前认真地预习222.做好课堂操作233.掌握好一些基本的数据处理方法。23参考文献2424 / 26第一部分 实验原理重新表述一、实验要求1、 太阳能电池暗伏安特性测量2、测量太阳能电池开路电压和光强之间关系3、测量太阳能电池短路电流和光强之间关系4、太阳能电池输出特性测量二、实验原理1.太阳能电池分类根据不同方式可以对太阳能电池进行相应分类:太阳能电池种类根据所用材料分硅基太阳能电池、

9、化合物薄膜太阳能电池、有机太阳能电池以及染料敏化太阳能电池。其中硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。化合物薄膜太阳能电池包括砷化嫁m-V化合物太阳能电池、硒化福太阳能电池和铜锢硒太阳能电池等等。有机太阳能电池又分为有机小分子太阳能电池和聚合物太阳能电池。本文分析是建立在硅太阳能电池基础上。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高转换效率为24.7%，规模生产时效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成

10、本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池主要发展方向之一。2.P-N结太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时光伏效应发电，太阳能电池基本结构就是一个大面积平面P-N结，图1为P-N结示意图。P型半导体中有相当数量空穴，几乎没有自由电子。N型半导体

11、中有相当数量自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区电子（带负电）向P区扩散， P区空穴（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结净电流为零。在空间电荷区内，P区空穴被来自N区电子复合，N区电子被来自P区空穴复合，使该区内几乎没有能导电载流子，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区有过量电子而带负电，P区有过量空穴而带正电，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

12、外电路，就可向负载输出电能。3.禁带宽度禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)，固体中电子能量是不可以连续取值，而是一些不连续能带，要导电就要有自由电子存在，自由电子存在能带称为导带（能导电），被束缚电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量最小值就是禁带宽度。禁带宽度是半导体一个重要特征参量，其大小主要决定于半导体能带结构，即与晶体结构和原子结合性质等有关。半导体价带中大量电子都是价键上电子（称为价电子），不能够导电，即不是载流子。只有当价电子跃迁到导带（即本征激发）而产生出自由电子和自由空穴后，才能够导电。空穴实际上也就是价电子跃迁到导带以

13、后所留下价键空位（一个空穴运动就等效于一大群价电子运动）。因此，禁带宽度大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度一个物理量，也就是产生本征激发所需要最小能量。当光照射在距太阳能电池表面很近P-N结时,只要入射光子能量大于半导体材料禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子空穴对.这些光生电子和空穴通过扩散以及P-N结内建电场作用,积累在P-N结附近,使p区获得附加正电荷,n区获得附加负电荷,在P-N结上产生一个光生电动势。能量大于半导体材料禁带宽度光子可以使太阳能电池产生光电流,光电流大小Iphc0N()d式中,N()是光子数随波长分布函数,c是滤色片截止波长,0是能产生光电流最大波

14、长.当N()为一常量时,有IPh0-c4.太阳能电池伏安特性曲线及相关特性参数当太阳能电池在一定入射光照射下时，可以测得一个端电压和电路中通过负载工作电流关系曲线，即太阳能电池输出特性曲线，称为太阳能电池伏安特性曲线，如图2所示。曲线在I轴上截距为短路电流Isc，在v轴上截距为开路电压VOC。图2 太阳能电池福安特性曲线太阳能电池单体主要特性参数为短路电流、开路电压、填充因子和光电转换效率，下面结合太阳能电池器件伏安特性曲线来分别介绍其具体含义:短路电流(Isc):太阳能电池在短路条件下工作电流称为短路电流(Isc)。此时，电池器件输出电压为零。开路电压(VOC):太阳能电池在开路条件下输出电

15、压称为开路电压(VOC)。此时，电池输出电流为零。填充因子(FF):第四象限中任一工作点输出功率等于图所示矩形面积A1。其中一个特定工作点(Vmpp，Impp)会使输出功率(Pm)最大。填充因子FF定义为实用太阳能电池填充因子应该在0.6以上。光电转换效率 (PCE):太阳能电池光电转换效率 (PCE)是太阳能电池单位受光面积最大输出功率(P，n)与入射太阳光能量密度(Pin)比值。Pin为入射到太阳能电池表面光功率。理论分析及实验表明，在不同光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。5.太阳能电池基本原理图4 太阳能电池原理图图4为太阳能电

16、池原理图，p-n结光生伏特效应是太阳能电池基本原理。当太阳光入射到p-n结表面时，能量与半导体材料禁带宽度相近光子会在距离表面1/范围内被吸收，并在结区及附近激发电子空穴对。其中为光吸收系数。在势垒电场作用下，电子在n区汇集，空穴在p区汇集。从而在p-n结附近形成于势垒方向相反光生电场。光生电场与势垒电场共同作用稳定后，p-n结会有一个稳定电动势，即开路电压。当外接闭合回路时，回路中就会有电流通过。6.太阳能电池器件等效电路理想情况下，可以认为太阳能电池器件是由一个恒流发生器、一个二极管以及一个电阻R并联组成。但在实际情况下，需要考虑太阳电池本身串联电阻Rs以及并联电阻Rsh，因而实际太阳能电

17、池等效电路如图5所示。图5 太阳能电池等效电路图此时太阳能电池器件工作电流I可表示为:式子中q电子电荷(1.610-19C);Vj结电压;T绝对温度;K玻耳兹曼常数;A曲线拟合常数;V端电压;IL光电流;I0反向饱和电流，是指在黑暗条件下通过p-n结少子电流代数和。第二部分 实验内容及操作详细流程三、仪器介绍太阳能电池基本特性测量实验装置如图6所示，电源面板如图7所示。光源采用碘钨灯，它输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间距离可以改变照射到太阳能电池上光强，具体数值由光强探头测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强数值。电压源：可以输出08V连续可调直流电压

18、。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口电压，或接入“光强输入”接口光强探头测量到光强数值。表头下方指示灯确定当前显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当显示范围。电流表：可以测量并显示0200mA电流，通过“电流量程”选择适当显示范围。图6 太阳能电池实验装置 图7 太阳能电池特性实验仪四、实验内容及操作详细流程1.硅太阳能电池暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池电流与外加电压之间关系。太阳能电池基本结构是一个大面积平面P-N结，单个太阳能电池单元P-N结面积已远大于普通二极管。在实际应用中，为得到所

19、需输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已并联电池组串连。因此，它伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池材料，结构及组成组件时串并连关系。本实验提供组件是将若干单元并联。要求分别测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时暗伏安特性曲线。用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图8所示。将待测太阳能电池接到测试仪上“电压输出”接口，电阻箱调至50后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中电流。 图8 伏安特性测量接线原理图将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。然后再次将电压输入调到0V，将“

20、电压输出”接口两根连线互换，即给太阳能电池加上反向电压，逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换数据。2.开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热5分钟。打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远（从10cm到50cm）移动滑动支架，测量距光源一定距离（每隔5cm）光强I。 图9 开路电压，短路电流与光强关系测量示意图将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图9A接线，按测量光强时距离值（光强已知），记录开路电压值。按图9B接线，记录短路电流值于表2中。将单晶硅太阳能电池更

21、换为多晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。3.太阳能电池输出特性实验图10 测量太阳能电池输出特性 按图10接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱电阻值，记录太阳能电池输出电压V（按照每隔0.2V间隔）和电流I。若时间允许，可改变光照强度（改变滑动支架位置），重复前面实验。4.注意事项在预热光源时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池温度，减小实验误差；光源工作及关闭后约1小时期间，灯罩表面温度都很高，请不

22、要触摸；可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载；220V电源需可靠接地。第三部分 数据重新处理与深入思索五、太阳能电池基本特性测量1.硅太阳能电池暗伏安特性测量以电压为横坐标，电流为纵坐标，画出三种太阳能电池伏安特性曲线。硅太阳能电池暗伏安特性测量单晶硅多晶硅非晶硅电压U/V电流I/mA电压U/V电流I/mA电压U/V电流I/mA正向0000000.30.0070.30.0160.30.0890.60.0190.60.0440.60.190.90.0440.90.0910.90.3011.20.0941.20.1731.20.4181.50.2031.50.3271.50.551.80

23、.4841.80.6491.80.6942.11.2462.11.5592.10.8572.43.92.45.22.41.0772.714.82.724.32.71.429368.22.97108.232.5反向0000000.50.0110.50.0170.50.19310.02110.03510.4091.50.0311.50.0541.50.6520.0420.07420.9162.50.0512.50.0952.51.20630.06130.11731.5363.50.083.50.1413.51.94540.08940.16742.24.50.1014.50.1944.52.650.

24、11350.225535.50.1275.50.2565.53.560.14260.289646.50.1576.50.3266.54.770.17470.36475.47.50.1937.50.4067.56.180.21580.4586.980.21580.4586.9 单晶硅加载正向电压伏安特性曲线 单晶硅加载反向电压伏安特性曲线 多晶硅加载正向电压伏安特性曲线 多晶硅加载反向电压伏安特性曲线 非晶硅加载正向电压伏安特性曲线 非晶硅加载反向电压伏安特性曲线2.开路电压、短路电流与光强关系测量画出三种太阳能电池开路电压随光强变化关系曲线，画出三种太阳能电池短路电流随光强变化关系曲线开路电压

25、、短路电流与光强关系测量光强探头测光强距离/cm101520253035404550光强I15307384092561791321018166单晶硅电压U/V2.942.812.712.642.572.522.472.432.39电流I/mA1306738.524.617.112.69.87.85.4多晶硅电压U/V2.882.762.672.592.532.472.432.382.34电流I/mA11458.333.721.214.810.98.46.65.4非晶硅电压U/V3.213.072.942.812.672.52.292.081.88电流I/mA20.19.85.53.52.51.

26、81.41.10.9单晶硅开路电压随光强变化关系曲线 单晶硅短路电流随光强变化关系曲线 多晶硅开路电压随光强变化关系曲线 多晶硅短路电流随光强变化关系曲线 非晶硅开路电压随光强变化关系曲线 非晶硅短路电流随光强变化关系曲线3.太阳能输出特性试验做出三种太阳能电池输出伏安特性曲线及功率曲线在试验光照条件下，找出最大功率点，对应电阻即为匹配负载。最大功率点输出电压和电流是多少？计算填充因子计算转换效率，入射到太阳能电池板上光功率，I为入射到太阳能电池板表面光强，S1为太阳能电池板面积太阳能输出特性实验位置在20cm处单晶硅多晶硅非晶硅U/VI/mAP/10-3WU/VI/mAP/10-3WU/VI

27、/mAP/10-3W0.2137.67.8960.2132.66.8460.215.31.1130.437.715.080.413313.530.45.32.120.5937.722.2430.6133.120.1910.65.13.060.8137.630.4560.8133.126.8110.795.14.0290.9937.336.9271.0233.233.8641.014.94.9491.1937.544.6251.2233.240.5041.214.85.8081.4137.452.7341.4233.347.2861.394.66.3941.637.5601.6233.253.7

28、841.64.57.21.7937.567.1251.813359.731.84.37.741.9937.173.829231.863.62.0148.042.235772.229.464.682.213.67.9562.3929.971.4612.420.950.162.42.96.962.612.432.242.610262.62.25.72 单晶硅太阳能电池伏安特性曲线及功率曲线 多晶硅太阳能电池伏安特性曲线及功率曲线 非晶硅太阳能电池伏安特性曲线及功率曲线六、实验误差分析 1.在测量太阳能电池伏安特性曲线时，利用是外接法。在电压较高时，电压表分流作用会产生一定影响。2.温度对二极管特性

29、影响。尽管在实验过程中，环境温度基本保持不变，但是太阳能电池受到光照射会产生温度变化，从而影响实验结论。3.光照射不均匀会使不同太阳能电池板工作状况不同，从而产生影响。4.实验室内背景光对实验会产生影响，特别是在光强较弱条件下测数据会有较大误差。七、实验课后思考题太阳能电池暗伏安特性与一般二极管伏安特性有何异同？答：在一定光照下，太阳能电池产生一定电流ISC，其中一部分流过p-n结暗电流，另一部分是供给负载电流，故可把光照p-n结看作是一个恒流源与理想二极管并联组合。 所以，当无光照且加正向电压时，太阳能电池与一般二极管伏安特性曲线相似。当加载反向电压时，二极管在一定范围内无法导通，当反向电压

30、加到击穿电压时，电流急剧增加。而加载反向电压时，太阳能电池特性曲线接近线性电阻元件。第四部分 讨论八、影响太阳能电池转换效率因素内在因素：禁带亮度、复合寿命、掺杂浓度及剖面分布、表面复合速率；外在因素：温度、光强、串联电阻。内在因素取决于芯片生长工艺及结构优化设计，在封装过程中，我们应尽可能改善外在因素，以保证电池转换效率。我们重点描述温度、光照、串联电阻影响。1.温度随着电池工作温度升高，转换效率会下降。ISC对温度很敏感，温度还对Voc起主要作用。2.光强将太阳光聚焦于太阳电池上，可使一个面积很小太阳电池产生出大量电能。设想光强被浓缩了X 倍，则电池单位面积输入功率和 Isc都将增加 X

31、倍，同时 Voc也随着增加(kT/q)lnX倍。因而输出功率增加将大大超过 X 倍，而且聚光结果也使转换效率提高了。3.串联电阻在任何一个实际太阳电池中，都存在着串联电阻。通常情况下，串联电阻主要来自薄扩散层。P-N 结收集电流必须经过表面薄层再流入最靠近金属导线，这就是一条存在电阻路线，显然通过增加金属线可以使串联电阻减小。九、实验方法比较与改进我搜集资料提供了两种实验改进方法,以供参考。利用计算机和Labcoder数据采集分析系统,对传统“太阳能电池伏安特性测量”实验进行改进。利用改进后实验装置,太阳能电池在光照下随着负载改变,实现了输出电流和电压动态实时采集,提高了实验效率。利用单片机实

32、现了对光电池开路电压、短路电流、串联内阻、最佳负载、最佳输出功率等重要参数自动测量和数据处理，并在液晶屏上自动显示相应曲线结合实际应用情况，还测量了串联光电池和并联光电池参数1.传统太阳能电池伏安特性测量方法图11是传统太阳能电池伏安特性测量实验电路。电路中电流表和电压表可分别用数字万用表代替,负载用一个精密可调电阻箱(常用ZX21型电阻箱)代替。传统实验中,太阳能电池在适当光强光照下,从小到大(或者从大到小)改变负载电阻,分别观察记录电流表和电压表读数变化,从而得到不同负载下太阳能电池输出电流和电压。实验中发现,由于电阻箱阻值变化范围很大(从“0”到“99 999.9”),选择合适负载电阻改

33、变步长是一个难点。在改变负载电阻过程中,找到合适负载阻值使得电流表和电压表有一个合适改变值需要花费长时间尝试。其次,由于实验中离散地改变负载阻值所需记录数据较多,实验过程以及实验后数据处理工作量都比较大。图11 太阳能电池伏安特性测量原理电路2.利用计算机和Labcoder数据采集分析系统改进实验在传统“太阳能电池伏安特性测量”实验基础上引进以Labcoder数据采集分析系统为核心计算机辅助测量设备,通过连续改变负载阻值大小,实现了太阳能电池输出参数电流和电压实时、动态采集,进而可以让学生能够迅速直观地观测到不同实验条件下太阳能电池输出参数改变,提高了实验效率。在数据处理方面,把Labcord

34、er数据采集软件所得数据直接导出,利用Origin软件直接处理,大大减轻了数据处理工作量。Labcorder数据采集分析仪由计算机、外置数据采集器和数据采集分析软件三部分构成,是一个集计算机、数据采集、记录、分析和结果显示为一体多功能智能仪器。Labcorder数据采集分析仪外置数据采集器上设计有两路模拟量采集通道,两路数字量采集通道和5 V直流电压输出等功能。该仪器模拟信号输入范围为5 V;输入阻抗100 M;输入信号幅度可经模拟输入接口卡中高性能仪用放大器调到1,10,100,1000等合适放大倍数,保证最佳转换精度。实验电路图如图12,图中选用R1和R2作为太阳能电池输出电压取样电阻,阻

35、值分别取为100 k。由于Labcoder模拟信号输入范围为5 V,所以实验中取R1两端分压输入Labcoder通道2。为了测量负载电路电流,以R3为取样电阻。R3为精密可调变阻箱,两端电压输入Labcoder通道1。R4和R5为滑线变阻器,阻值分别为56和420。由于负载输出电流随负载大小改变而发生变化,为增加负载电流细调程度,所以在主控变阻器R5基础上再串联细调变阻器R4。图12 伏安曲线动态测量仪器及电路如图12连接好电路,调节光源照射到太阳能电池组件角度使R2两端电压为4.54.9V;将R4和R5调到零,再调节R3和Labcorder数据采集仪面板上放大倍数使得R3两端电压小于5 V。

36、开启计算机上Labcorder数据采集分析软件,设定y-x输入接口,y选择CH1端,x选择CH2端,开启运行按钮,将56和420滑动变阻器依次以一定速度从零拉到阻值最大,此时即在数据分析软件接口上得到一条模拟太阳能电池动态伏安特性曲线(如图13所示)。将数据分析软件中动态采集数据导出并利用Origin绘图软件处理导出数据,并将所得数据按比例换算为该太阳能电池实际电流值与电压值。利用Oringin数据处理软件,可以方便得到太阳能电池伏安特性曲线,如图13所示。 图13 Labcoder软件显示动态伏安特性曲线 图14 太阳能电池伏安I-U曲线图15 太阳能电池输出功率与负载RP-R曲线从图14中

37、,可以很方便地找到当负载电压为零时短路电流Isc=0.21 A;而当负载电流为零时开路电压Voc= 9.85 V。同时,利用图14数据,可以算出不同负载下太阳能电池输出功率,如图15所示。在图15中,可以很方便地看出,在负载电阻为50.5时太阳能电池输出功率达到最大,Pm=1.53 W。根据Pm所对应电流和电压,此时Im=0.174 A, Um= 8.804 V。即可得到填充因子FF = 0.740。3.利用单片机改进实验光电池特性测试装置核心是单片机，外围电路仅由一个低噪声运放，滤波电路以及一个采样电阻构成，如图16所示为了实现自动测量，我们采用了一个有源模拟负载，其电阻大小可以通过单片机编

38、程来控制图16 测量电路图 通过测量输出电压和输出电流就可以计算光电池输出功率，利用单片机计算功能，可以得到功率负载曲线并计算出最佳负载太阳能电池特性测量硬件框图如图17所示该装置完成了对太阳能电池伏安特性、开路电压、短路电流、最大输出功率等基本参数自动测试手动测量两个方面，功能菜单选择由个独立按键实现自动和手动测试是为了满足不同需要，手动测试能比较直观地看到外界因素对太阳能电池特性影响该装置通用性较强，只需对程序进行一些修改以及更换部分元件就可以适用于测试大电压、大电流场合若要用在精度更高测量场合，只要减小基准电压就可以使测量精度进一步提升图17 太阳能电池特性测量硬件框图图18 太阳能电池

39、特性测量实验装置图十、禁带宽度测量1.测量原理能量大于半导体材料禁带宽度光子可以使太阳能电池产生光电流,光电流大小为Iphc0N()d 式中,N()是光子数随波长分布函数,c是滤色片截止波长,0是能产生光电流最大波长.当N()为一常量时,有IPh0-c2.测量方法1、将太阳能电池放在暗箱中,按实验电路图接线图19(a),测量在不受光照情况下,太阳能电池在正向偏压下I-U特性.2、 将太阳能电池作为一电源连入电路图19(b),置于恒定光强照射下(本实验使用60 W白炽灯泡照明),按电路图接线,测量在不同负载电阻时流过太阳能电池电流I和输出电压U,计算其在不同负载电阻下输出功率P,由此确定最大输出

40、功率Pm时负载电阻Rm;从I-U图上得到U=0时短路电流Isc和I=0时开路电压Uoc,计算填充因子FF.图19全暗及光照时实验电路图3、取定J0作为“标准”入射光照强度,通过改变光源到太阳能电池距离来改变照射到太阳能电池光照强度J,得到Isc, Uoc与相对光照强度关系,找出Isc, Uoc与近似函数关系。4、在光源出射口安放一块消除红外波长隔热玻璃,使只有短波长通过,以防止红外波长对实验影响.然后在太阳能电池前安放不同截止波长滤色片(该滤色片存在截止波长,小于此波长光波不能通过),在光强为J0下测量光电流和截止波长关系.然后改变J,测量几组不同光强下光电流和截止波长关系.由光电流Is。和截

41、止波长c关系,外推至Isc=0时,得截止波长c,即可由光子能量与波长关系（）得到制作太阳能电池半导体材料禁带宽度.测量不同半导体材料制作太阳能电池数据,比较不同半导体材料禁带宽度.在不同光强下,由单晶硅(编号01)作为材料太阳能电池光电流和截止波长关系如图20所示.由Isc=0时,可得截止波长011 100 nm由，求得单晶硅材料禁带宽度为1.13 eV(公认值为1.128 eV).笔者又用相同方法对由多晶硅(编号02)作为材料太阳能电池进行了测量,求得此多晶硅截止波长021 200 nm,代入光子能量公式得多晶硅材料禁带宽度为1.03 eV.可见,单晶硅禁带宽度要大于多晶硅禁带宽度.由固体物

42、理学知识,一般而言多晶硅由于缺陷较多,其禁带宽度要小于单晶硅,实验数据很好地验证了这一点.图20 单晶硅材料图十一、实际P-N结与理想模型之间差别P-N结伏安特性分析及等效电路理想P-N结模型满足小注入、突变耗尽层及玻耳兹曼边界条件,且不考虑耗尽层中载流子产生和复合作用2其电流电压关系可由肖克莱方程给出,即式中,V为P-N结两端电压,J为通过P-N结电流密度,为反向饱和电流。当正向偏压较大时,括号中指数项远大于1,因而第二项可以忽略,电流密度与电压呈指数增加关系.反向偏压时,当q|V|kT时,指数项趋于0,电流不随电压改变,趋于饱和值.实验测量发现,肖克莱方程与实际P-N结伏安特性偏离较大,主

43、要表现在两个方面:1)正向电压较小时,理论值比实验值小,正向电压较大时,J-V关系变为线性关系;2)反向偏压时,反向电流比理论值大许多,反向电流不饱和,随反向偏压增大略有增加.这说明理想模型不能真实反映实际器件特性,需要建立更为完善P-N结模型在实际器件中,载流子产生、传输和复合会对P-N结中空间电荷场产生影响,从而导致P-N结电流电压特性偏离理想方程。正向偏压时,注入势垒区载流子有一部分形成复合电流,其大小与成正比,总电流密度为扩散电流密度与复合电流密度之和对于硅,在较低正向偏压下,复合电流占主要地位,因而总电流大于理想条件下电流,正向偏压较高时,复合电流可以忽略.正向电流很大时,器件体电阻

44、及电极接触电阻上压降不可忽略,这样,加在P-N结势垒区电压就减小了,正向电流增加就比较缓慢,在体电阻及电极接触电阻上压降占主要地位时,电流电压关系便成为由电阻决定线性关系反向偏压时,势垒区电场增强,通过复合中心产生电子空穴对在复合之前被强电场驱走,使得载流子产生率大于复合率,形成产生电流这个电流与势垒宽度XD成正比,G为净产生率随着反向偏压增加,势垒宽度增大,所以反向电流不饱和,随反向偏压增大而增大基于上面考虑,可以建立实际P-N结一个等效电路模型,如图21, Rsh为考虑到载流子产生与复合电流而增加一个并联电阻; Rs为P-N结体电阻及电极接触电阻等效串联电阻;Csh为P-N结结电容理想情况下, Rsh阻值为无穷大,Rs阻值为零, Csh为零在直流偏压下,电容