TK-PV1型光伏效应实验指导书.pdf

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1、TK-PV1 型光伏效应实验指导书 实验 418 光伏效应实验 随着全球对能源的需求日益增长,人类已面临着两大难题:一是地球上储量有限的燃料资源而引发的能源危机;二是以煤等化石燃料的大量燃烧所排放的CO 和 SO气体，导致的环 22 境污染和温室效应，使人类的生存环境不断恶化。加速发展清洁而可再生的太阳能，降低温室气体排放量，已成为全球的共识。许多国家都把光伏发电作为优先发展项目，美国、希腊等国均已建成多座兆瓦级阳光电站，并启动了“屋顶光伏”计划，即以家庭为单位进行安装阳光发电。我国将在2020 年前建成五座兆瓦级阳光电站。专家们早在十多年前就预言:光伏是 21 世纪高新技术发展的前沿之一，预

2、测在本世纪中叶，光伏发电将成为重要的发电技术之一，作为阳光电站的基石太阳能电池，目前占主流的还是硅系列(单晶、多晶和非晶)太阳能电池。此外,多元化合物太阳能电池，如:砷化镓(耐高温)、铟硒(成本低、性能稳定，与非晶硅薄膜结合组成叠层太阳电池，以提高太阳能利用率)以及钾氟化合物太阳电池(高效)等，近年来发展也较迅速，预示着光伏发电的前景可谓春色满园。本实验以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。【实验目的】1(初步了解光电池机理。2(测量光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系。3(在恒定光照下测量光电流，

3、输出功率与负载之间关系。【实验原理】在 P 型半导体上扩散薄层施主杂质而形成的p-n 结(如图 4-18-1)，由于光照，在 A、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。利用它制成的元器件称之为光电池。光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。从光伏效应的机理可知(见附录)，光电池输出的电 流是光生电流和在光生 IILP 电压作用下产生的 p-n 结正向电流之差，即 VIPF。根据 p-n 结的电流和电压关系 I,I,ILPF qVPkTIIe,(1)FS 图 4-18-1 光伏

4、效应结构示 意图(光电池模型)式中是光生电压，为反向饱和电流，所以输出电 IVSP 大学物理实验 流 qVPkTIIIe,(1)(4-18-1)LPS 此即光电流表达式。通常，上式括号内的 1 可忽略。II PS 对于光电池有外加偏压时，(4-18-1)式应改为 qVkTIIIIIe,，,，,(1)(4-18-2)LLLS qVkTIe(1),上式中，就是 p-n 结在外加偏 S 压 V 作用下的电流。图 4-18-2 中的(a)、(b)两条曲线分别表示无光照和有光照时光电池的 I-V 特性，由此可知，光电池的伏安特性曲线相当于把 p-n 结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出

5、了其开路电动势和短路电 VOC 流。ISC V 实验表明:在=0 情况下，当光电池外接负 图 4-18-2 光电池的伏安特性载电阻时，其输出电压和电流均随变化而 RRLL 变化。只有当取某一定值时输出功率才能达到最大值，即所谓最佳匹配阻值，PRR,RmLLLB VOCR,而则取决于光电池的内阻。由于和均随光照强度的增强而增大，所不VIRiOCSCLBISC 同的是 V 与光强的对数成正比，与光强(在弱光下)成正比，如图 4-18-3 所示，所以 IROCSCi 亦随光强度变化而变化。V、和都是光电池的重要参数。最大输出功率与 V 和IPROCOCSCmi 乘积之比，可用下式表示:ISC PmF

6、F,(4-18-3)VIOCSC 上式中 FF 是表征光电池性能优劣的指标，称为填充因子。实验 418 光伏效应实验 如图 4-18-4 所示，光电池的等效电路，在一定负载电阻范围内可以近似地视为由一 RL 个电流源与内阻并联，再和一个很小的电极电阻串联的组合。IRRPSiS 图 4-18-3 开路电动势、短路电 图 4-18-4 光电池等效电路 流与光强关系曲线 【实验仪器】TK-PV1 型光伏效应实验仪。【实验内容与步骤】1(光强的调节和表示 本实验所用光源为 LED(发光二极管)，根据 LED 的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改变 LED 的静态工作电流确定光强的相对值。本仪器设定

7、LED 的静态工作电流调节范 ID 围为 0mA,20mA，对应显示器上的数值为 0,2000。(也可用“归一”法表示光强，即设 Jm JJ 为最大光强，为任意的光强，则/为无量纲的相对光强)。Jm 的大小通过粗调和细调旋钮来调节。细调旋钮只在输出较大时起作用，如显示IIIDDD 为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。2(标尺的设定 为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向的移动标尺。选择三色发光管中任意一种颜色光进行调试，接通 LED 驱动电源，调节指示为 1000ID 左右，功能切换开关置于档。将水平标尺调到 10mm 左

8、右;再调节垂直标尺，使开路电 VOC 压达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色LED 的 VOC 发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调节垂直标尺。3(测量开路电动势与光强的关系 VIOCD 大学物理实验 测量线路如图 4-10-5 所示。将功能切换开关置于档，然后将面板上(毫伏表)正、VVOCOC 负输入端与 PV 装置的光电池正、负输出端对应连接。按实验所需光源颜色，接通 LED 驱动 电源。并调节标尺找到实验最佳工作状态。调节=0(即将粗调和细调旋钮旋至最小)，此时由于 PV 装置不完全密封(如导线的 ID 入口处)，有光线漏进装置中,

9、使得显示不为 0，实验时应将此数值记录下来，并在数据的 VOC 后继处理时将其减去。调节，测量不同光强下光电池的开路电动势。自拟表格记录数据，并绘制,VVIOCOCD 曲线。ID 线路图 图 4-18-5 测量开路电压 VOC 4(测量短路电流与光强的关系 IISCD 测量线路如图 4-10-6 所示。将功能切换开关置于档;调节 DC01V 电源输出，IUSCS 使微安表读数为 10.00,A 18.00,A(建议取 10.00,A)。I0 在某一光强下，改变可调电阻 R，使流过检流计的电流为零。此时 AB 两点之间 IIDG 和 AC 两点之间的电压应相等,即=。因而,即短路电流 VIRIr

10、,VAB00AC Ir00(4-18-4)II,SCR 上式中，为微安计内阻(10K,)。r0 实验 418 光伏效应实验 图 4-18-6 测量短路电流线路图 ISC 调节，测量不同光强下，光电池的短路电流，将数据记入表 4-18-2，并绘制 IRR ISCiDD 曲线。5(按下式计算出光电池的内阻，自拟表格记录数据，并绘制曲线。RRR iiD VOCR,(4-18-5)iISC 6(测量输出功率 P 与负载电阻的关系 RL 选择三色 LED 中任意一种光源进行实验。图 4-18-8 光电流与负载电阻 图 4-18-7 负载特性测量线路图 两端电压关系曲线 *R 测量线路如图 4-18-7

11、所示。其中，为实验仪上标示的取样电阻(10 K)，R 为 IL*R 电阻箱，负载电阻。本实验中将仪器面板上的两端与正、负端并联，同 R,R，RILL 时功能切换开关置于档。IL 光电池在恒定光照下(取约为 1000)，改变的大小，测量流过不同负载电阻的电RIRDL 大学物理实验 流并计算输出电压。自拟表格记录数据，并绘制曲线。VIR,VIILLLLLL 计算不同负载电阻下输出功率，即，并绘出曲线，确定最大输出功率PPRP,VILL PmFF,时的负载电阻 及填充因子。PRmLBVIOCSC 注:如若再选用另外颜色光进行实验，表格自拟。【思考与创新】1(开路电压、短路电流如何随光强而变化,为什么

12、开路电压(硅)的最IVVSCOCOC 大值不超过 0.6V,你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗,2(测量时，若不为零，如何根据的正、负号，确定增减R 阻值,(如为IIIISCGGG 负是加大 R 还是减小 R。)3(为什么图 4-18-2 中曲线 b 相对于曲线 a 是向下而不是向上平移,并分析当光电池作为光控制器件使用时，应如何选择偏压方向,4(试就本实验测定的方法与用图 4-18-2 伏安特性曲线确定的方法，进行讨论。IISCSC【附 录】I.光伏效应机理 图 4-18-9、图 4-18-10 分别表示在无光照(即热平衡时)和有光照时 p-n 结空间电荷层模型和相应的能带示意图。

13、如正文图 4-18-1 所示，在 n 型扩散层足够薄的条件下，光线可以透过 n 层进入空间电荷区，只要光子的能量大于材料的禁带宽度，就能够将满带的电子激发到导带，产生光生电子空穴对(如图 4-18-10 所示)，在 p-n 结内电场(从 n 区指向p 区)作用下电子进入 n 区，空穴进入 p 区。形成自 n 区向 p 区的光生电流。与此同时，光生电子空穴对因中和掉部分空 IP 间电荷使空间电荷区变窄，势垒降低，其作用就等效于在 p-n 结施加一正向电压，产生从 p 区流向 n 区的正向电流。光生电流和光生正向电流均通过 p-n 结，但方向相反。IIIFFP 在开路情况下势垒必然降低到使和相等，

14、从而使通过 p-n 结的光电流为零。p-n 结两端 IIFP 建立起稳定的电势差(p 区相对于 n 区为正)，这就是光生电动势，其值等于势垒下降高度。VP 当 p-n 结接上外电路时，通过负载的电流即为正文所述。I,I,ILPF 实验 418 光伏效应实验 图 4-18-9 无光照 图 4-18-10 有光照 图中,代表失去一个电子而带正电施主离子，代表空穴 代表得到一个电子而带负电受主离子，代表电子 注:对于光子在 n 型扩散层和 p 型半导体内激发光生电子空穴对的情形(如图4-18-11 所示)，同学可自行分析。但应该注意以下两点:1.形成光生电流只来自非平衡少数载流子的贡献，即 p 区中

15、的电子，n 区中的空穴。IP 2.能带弯曲部分对 n 区和 p 区的多子而言均为势垒，即起阻挡层作用。图 4-18-11 光照 II.TK-PV1 型 光伏效应实验仪使用说明书 TK-PV1 型光伏效应实验仪以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量开路电压及短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。大学物理实验 本实验内容丰富，构思新颖，方法独特，性能稳定，而且适用面广(光电池涉及固体物理学、光学、电子学、化学、材料学等)，是目前高校值得推荐的教学产品。1.实验仪简介 本实验效果图如图 4-18-12 所示，该实验仪分五个部分:图 4-18-12 实验

16、仪 1)PV 装置 PV 装置是一个内设光源和待测试样的暗箱。试样装在右侧箱壁，设有红、黑两个接线孔。红色对应于光生电压正极。光源装在一圆管的前端，并固定在左右、上下可调的标尺上，以调节光源与试样的距离和试样表面光照度。箱顶部设有观察窗，便于检查光源工作正常与否。逆时针水平旋动观察窗手柄为开启。注意:操作时只许轻轻水平拨动手柄，严禁朝下按压手柄。LED 的电源输入端设有多个驱动插孔，其中黑色为电源公共端，其他红、绿、蓝接口分别对应 R、G、B 光。实验 418 光伏效应实验 图 4-18-13 PV 装置 暗箱内三色 LED 发光管和光电池示意图如图 3 所示:图 4-18-14 暗箱内光源与

17、光电池示意图 2)LED 驱动电流源 提供 LED 驱动电流，由调节和显示两部分组成，位于实验箱的左边。的调IIIDDD 节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在输出较高时起作用(如显示为1900IIDD 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋使其稳定)。输出的红、黑两插 ID 孔分别与 PV 装置的光源驱动输入端对应连接。仪器设定 LED 的工作电流调节范围为-20mA，对应显示器上的数值为 0-2000。0 3)功能切换开关 功能切换开关位于实验箱右边，分别有、三档。(微安表)只在测 IVIISCOC0L 量时开启，当测量和时(微安表)将被自动关闭。IVIISCOC0L 4)D

18、C 01V 稳压源 01V 可调电压源位于实验箱的最右边，在测量时作为外加电源。当测量结IISCSC 束时关闭该电源的输出。5)电阻箱 电阻箱位于实验箱的中部，其量程为 999.999K,。在测量时该电阻箱作为平衡ISC 大学物理实验 电阻 R 使用，在测量光电池输出性能实验时作为可调的外接负载使用。RL 2.性能指标 1)0-20mA 可调恒流源 输出电流:0,20mA,连续可调，调节精度可达 0.01mA;,3 电流稳定度:优于 10(交流输入电压变化?10,);,3 负载稳定度:优于 10(负载由额定值变为零);1 电流指示:位 LED 显示，精度不低于 0.5,。32 2)、和显示器

19、IIVLGOC 1 用 位 LED 显示，精度不低于 0.5,;32 为负载电流 测量范围:0,19.99A;IL 为流过检流计电流 测短路电流时用;IG 为开路电动势 测量范围:0,1999mV。VOC 3)0-1V 直流可调稳压源 输出电压:0,1V，连续可调，调节精度可达 1mV;,3 电压稳定度:优于 10(交流输入电压变化?10,);,3 负载稳定度:优于 10(交流输入电压变化?10,)。4)数字微安计测用 I0 调节范围:0,100.0A,精度可达 0.1A;1 电流指示:位 LED 显示，精度不低于 0.5,。32 5)电阻箱 调节范围:0,999.999K。实验 418 光伏

20、效应实验 3.使用说明 1)标尺调节方法 选择三色发光管中任意一种颜色进行调试，接通 LED 驱动电源，调节指示为1000ID 左右。功能切换开关置档，将水平标尺调到 10mm 左右;再调垂直标尺，使开路电压 VVOCOC 达到最大值。并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色 LED 的发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。2)输出粗调、细调旋钮 ID 的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在输出较高时起作用(如显示IIIDDD 为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定)。3)数字微安计()I0 功能切换置档，数字微安计()处于工作状态;当功能切换在和档时，微IIVISC0OCL 安计不工作，显示器熄灭。4)本实验提供的连接线为直插式带弹簧片导线，在接线或拆线时应持“手枪头”进行操作，特别在拆线时，严禁直接拉扯导线，否则导线易遭损坏。