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毕业设计（论文）题目太阳能电池性能测试学院专业班级学生姓名指导教师成绩毕业设计（论文）I 摘要21 世纪，能源危机日益严重，积极寻找替代能源，开发节能技术尤为重要，作为新能源之一的太阳能，其电池的性能测试问题尤为受到关注。近年来，各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程，学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而，传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路，测试过程中不但经常发生短路、断路等现象，导致太阳能电池、光强计等设备的损坏，而且由于测试环境开放，测试时受到外界光源影响，导致最终测试结果不理想。为了解决传统实验中的弊端，本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接，并连出电路关键的测试点，方便实验时数据的测量；同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中，从而减少外界环境对实验的影响。本设计利用钨镍灯模拟太阳光，通过调光模块对钨镍灯发出的光的光强进行调节。实现了光强的连续变化测量；在测量过程中，通过集成的测量电路将太阳能电池的各种电气特性表现出来，提高了测量数据的可靠性，尤其适用于实验教学。关键词能源危机；太阳能电池测试系统；太阳能电池；钨镍灯毕业设计（论文）II Abstract The 21st century, the increasingly serious energy crisis, actively looking for alternative sources of energy, develop energy-saving technologies is particularly important as one of the new energy, solar energy, its battery performance testing is of particular concern. In recent years, major universities, laboratories have also set up courses on solar energy performance test, the students understand the knowledge of the solar cell power generation process and solar cell performance in the experiment. However, most traditional solar cell testing laboratory test circuit connected by the students themselves, not only the frequent occurrence of phenomena such as short circuit, open circuit testing process, resulting in solar cells, light intensity meter and other equipment damage, and because the test environment and opening up, testing by outside The light effects, leading to the final test results are not satisfactory. In order to solve the drawbacks of traditional experimental design using an integrated manner with traditional solar cell testing experiment circuit welding, and even circuit key test points to facilitate the experimental data measurement; the entire experiment of this design will set in a closed dark room, thereby reducing the influence of the external environment of the experiment. This design uses tungsten nickel lights simulate sunlight, adjust the intensity of the light emitted by the dimming module tungsten nickel light. The intensity of the continuous changes in measurement; integrated measuring circuit in the process of measuring a variety of electrical characteristics of solar cells shown to improve the reliability of the measurement data, especially for experimental teaching. Key words Energy crisis; solar cell test system; solar cells; tungsten nickel lamp 毕业设计（论文）III 目录摘要 . . I Abstract . II 绪论 . . 1 第 1 章概述 . . 21.1 太阳能能源背景 2 1.2 太阳能电池的国内外发展状况 . 2 1.2.1 国内太阳能电池的发展状况 . 2 1.2.2 国外太阳能电池的发展状况 . 3 1.3 太阳能电池的发展前景 . 3第 2 章太阳能电池原理 . . 4 2.1 太阳能电池等效电路 . 4 2.2 太阳能电池发电原理 5 第 3 章太阳能电池测试实验 . . 7 3.1 太阳能电池测试实验原理 7 3.2 太阳能电池测试系统结构 . 9 3.2.1 电源模块 9 3.2.2 执行模块 . 10 3.2.3 测试反馈模块 . 12 3.3 硬件抗干扰措施 . 12 第 4 章测量数据处理 . 14 4.1 测量数据处理 . 14 4.2 硬件电路焊接及包装 . 18 结论 . 19 参考文献 . 20 致谢 . 21 毕业设计（论文）1 绪论太阳能的利用和太阳能电池特性的研究是 21 世纪新型能源开发的重点课题。目前太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域如太阳能汽车、太阳能路灯、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等，太阳能是一种清洁的“绿色”能源，因此，世界各国都十分重视太阳能电池的研究和利用。近年来，各大高校、实验室也纷纷开设关于太阳能性能测试实验的课程，学生在实验中了解太阳能电池发电的过程及太阳能电池性能方面的知识。然而，传统的太阳能电池测试实验多由学生自己连接测试电路，测试过程中不但经常发生短路、断路等现象，导致太阳能电池、光强计等设备的损坏，而且由于测试环境开放，测试时受到外界光源影响，导致最终测试结果不理想。为了解决传统实验中的弊端，本设计采用集成的方式将传统的太阳能电池测试实验的电路进行焊接，并连出电路关键的测试点，方便实验时数据的测量；同时本设计还将整个实验设置在一个密闭的暗室中，从而减少外界环境对实验的影响。本设计方案新颖，内容先进，着重从实际应用的角度出发，在比较传统太阳能电池性能测试实验的基础上，力求创新，兼容市场上使用较为广泛的非晶硅太阳能电池，具有很强的实用性。本设计共分 4 章，第 1、 2 章主要太阳能及太阳能电池的基本知识，第 3 章为系统硬件设计，第 4 章则给出了测试的结果。毕业设计（论文）2 第 1 章概述1.1 太阳能能源背景21 世纪 ,新能源和清洁的可再生能源的开发将成为影响世界经济发展的技术领域 ,其中，太阳能能否在未来被充分的开发和利用已成为世界各国政府及科研机构必须面临的挑战，作为其中之一的太阳能发电技术，更是受到人们的普遍关注。未来，太阳能发电技术将被大规模的应用于各个行业和领域，这都是因为太阳能发电具有许多其他能源无法具有的优点，其中就包括没有噪声，没有污染，不消耗燃料，不需要复杂的机械结构，不需要专门的看守人员，建造方便，维护方便，故障率低，规模可大可小，不需要远程传输，可方便地与各种器械设施或建筑相结合等。近年来，太阳能电池发电技术在国际上飞速发展，例如，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划，世界光伏市场开始由边远的农村和特殊应用向家用发电和大规模使用的方向发展，光伏发电已经由补充能源向替代能源转变 [1] 。我国的能源资源储量也面临着各种各样的危机。现已估算，我国的能源总量仅相当于为八千多亿吨标准煤，其中已探明的可开发能源总储量仅相当于一千三百余亿吨标准煤，约占世界能源总储量的百分之十左右，我国已探明的可开发能源总储量的结构为原煤占 58.8，原油占 3.4，天然气占 1.3，水能占 36.5。这些能源储备仅能保证我国未来 129 年的使用，这其中，原煤仅够 114.5 年的使用，原油仅够 20.1 年的使用，天然气仅够 49.3 年的使用 [2] 。由上面的能源数据来看，我国的新能源开发问题已迫在眉睫，如何找到一种可源源不断，又没有污染的能源已成为必须考虑的问题。太阳能，作为满足条件的能源之一已备受人们的关注，以太阳能为动力的太阳能电池将是未来世界的主要能源之一 [3]。单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池以及非晶硅薄膜太阳能电池。1.2 太阳能电池的国内外发展状况我国做为一个能源利用率不高但能源消耗巨大的国家，对太阳能技术能够带来的能源利益更加迫切，从 1995 年以来，我国分别从美国、德国等发达国家引进光伏技术，并通过 10 年的研究创新，如今在光伏发电技术领域已取得相当好的成绩。1.2.1 国内太阳能电池的发展状况1958 年，我国开始对光伏技术的研究，主要的研究对象是 p/n 型单晶硅太阳能电池，1963 年，我国的单晶硅太阳能电池的光伏转换效率已达 12.9，当时的 n/p 型硅太阳能电池光电转换效率比 p/n 型低，它主要的目标是空间应用。 1969 年，半导体所停止了硅太阳电池研发，随后，天津 18 所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研毕业设计（论文）3 制生产太阳电池阵。 1971 年我国制造的第一颗科学实验卫星使用的就是 n/p 型电池。在重点研究空间太阳能电池的同时，也开展了地面使用太阳能电池的开发。 1998 年，中国政府开始关注太阳能发电，拟建第一套 3MW多晶硅电池及应用系统示范项目 [4] 。近些年来我国在“ 973”和“ 863”等重大项目中，也将太阳能电池的研究和发展放到了非常关键的位置。在我国的国家“十五 ”科技攻关计划中重点提出对光伏技术项目的研究都有重大安排。从 2003 年起，我国太阳能电池产业增长加快，估计在近期还会有新的研究成果出现，我国太阳能电池工业正进入了一个快速发展阶段。目前我国重点研究目标是对薄膜硅基太阳能电池的研究与应用，正大力发展太阳能电池发电计划，所以，未来我国的主要能源将由化石燃料逐步转变成清洁的太阳能。1.2.2 国外太阳能电池的发展状况自从 1876 年 Amdas 和 Damty 通过对光伏效应的研究，成功制造出世界上的首块太阳能电池以来，各国政府都对太阳能这一无污染，寿命长的广泛能源的利用非常重视，尤其是美国、日本、英国等能源消耗量巨大的发达国家，它们对新能源的开发更加迫切。1961 年 Ch erp 公司成功生产光伏电池及其组件 ;1976 年世界的光伏电池超 512 KW ；E.Carlson和 C.R.Wronski 在 W.E.SQear的 1973年控制 p-n 结的工作基础上制成世界上第一个非晶硅 a-Si太阳能电池； 1980 年 ARCO 太阳能公司是世界上第一个年产量达到1MW 光伏电池生产厂家 ;三洋电气公司利用非晶硅电池率先制成手持式袖珍计算器，接着完成了非晶硅组件批量生产并进行了户外测试； 1987 年哥斯达黎加南土新尔威大学MtirnGareen 研制了一种超级新型多晶硅太阳能电池，其光电转换效率已经成功的达到20。到 2005 年世界太阳能电池年发电总量超过 1300MW ，占世界能源总量百分之一。1.3 太阳能电池的发展前景时至今日，太阳能电池的发展仍存在很多局限性，例如生产成本高、运行效率低以及耐用性问题。但在未来随着技术和材料的创新，这些太阳能电池发电的不足都将被消除。最近，美国 W.E.Spear公司开发了一种新型薄膜太阳能电池材料，其生产成本仅为传统单晶硅电池的百分之一，且发电能力稳定；近日，夏普公司宣布，他们已研发了一种太阳能电池转换效率达到 43.5，其刷新了太阳能电池转换效率为 36.9的最高纪录，被称“展示了绿色能源的光明未来” [5]。毕业设计（论文）4 第 2 章太阳能电池原理2.1 太阳能电池等效电路图 2-1 理想太阳能电池等效电路理想的太阳能电池等效电路主要是由一个恒流源、一个二极管并联在一起组成的。恒流源在受到光照的情况下会产生光电流 LI ，其中一部分电流通过二极管 P-N 结，这一部分电流就是结电流 jI ，另一部分电流通过负载，这一部分电流也就是负载电流 I。负载电阻 R 与负载两端的端电压 V、通过二极管的结电流 jI 以及通过负载的负载电流有关，这样 I 的大小为jL III （ 2-1）由 Shockloy 的扩散理论可以知道，二极管 P-N 结之间的结电流 jI 可以表示为10 kTqVjjeII （ 2-2）式中 q电子电荷（ C19106.1 ）；T绝对温度；jV 结电压；0I 反向饱和电流k波尔兹曼常数；将上两式合并，得10 kTqVLjeIII （ 2-3）光电流密度 LJ 可表示为 gcL ENqJ （ 2-4）式中 c 收集效率；毕业设计（论文）5 gEN 能量超过 gE 的光子流，与入射总光强成正比，即光生电流与入射总光强成正比。如图 2-2 所示为实际的太阳能电池等效电路图。在电路中，考虑了太阳能电池本身性质而产生的电阻，对这种电阻对整个太阳能电池的影响作如下分析图 2-2 实际的太阳能电池等效电路（ 1）串联电阻 sR4321 sssss RRRRR式中 1sR 电池栅线的电阻值；2sR 二极管扩散层横向的电阻值；3sR 基体本身的电阻值；4sR 上、下电极与基体接触时产生的接触电阻。在这四个电阻值中， 2sR 是串联电阻的主要形式，其大小直接影响 sR 的大小。（ 2）并联电阻 shR并联电阻包括 p-n 结内漏电阻、电池边缘漏电阻以及 p 型区和 n 型区各种导电膜或脏污的电阻等。并联电阻也有称为旁路电阻的 [6]。sR 和 shR 相比， sR 为低阻值，小于 1 ；而 shR 是高阻值，约为几千欧姆。考虑了电池本身的 sR 和 shR 以后，工作电流 I 可表示为shsAkTIRVqL RIRVeIII s ]1[ 0 （ 2-5）式中 I工作电流；A曲线拟合常数；V端电压。2.2 太阳能电池发电原理毕业设计（论文）6 太阳能电池是由半导体硅材料中沉入一定的微量杂质后而制成的单结光电池，如图2-3 所示，在 P 型和 N 型半导体的接触处，由于电子和空穴的扩散，使 P 型的一边堆积负电荷（设为 P 区）， N 型的一边堆积正电荷（设为 N 区），在 PN 的交界处形成一个厚度约为 m710 的电偶极层，即 PN 结，而结内具有一定的电场 E，同时又形成了一个稳定的电势差 0U 即为势垒 [7]。图 2-3 太阳能电池发电原理图当光入射到 PN 结上，在能量足够大的光子作用下，光子激发半导体硅材料内的电子与空穴，并将其分别向 P区和 N 区集结，从而使 PN 结两端附加了一个与内电场相反的光生电场 E，如果入射光强度保持不变，光生电场稳定产生的电势差称为光生电动势，保持不变，入射光强度越大，光生电动势会越高。若将硅光电池看做是一个理想的光生电流源，因光生电场 E 产生的 N 区域向 P 区域流动的光生电流用 pI 表示，由于 phI 与 pI 的方向相反，故实际得到的电流 I 为]1[ e x p 0 n k TqUIIIII phpph （ 2-6）式中， 0I 为反向饱和电流， q 为电子电荷， U 为结电压， n 为表示 PN 结特性参数的理想系数， k 为波尔兹曼常数， T 为绝对温度。当外电路连接最合适负载电阻 R 时，可以得到最大的能量转换效率，把此时的转换效率称为太阳能电池的光电转换效率，它是衡量太阳能电池的一个重要指标，它可以用最大输出功率 maxP 比上输出光功率 inP 得出。即inPPmax （ 2-7）P N 入射光毕业设计（论文）7 第 3 章太阳能电池测试实验3.1 太阳能电池测试实验原理太阳能电池在实际应用中，由于受到不同的入射光波长和光能量以及太阳能电池所接的负载电阻不同，会产生不同的输出特性，为了了解太阳能电池的特性，则需要对一些测量及电路等相关方面的知识做些介绍。1.太阳能电池被短路（ U0）时，令短路电流为 I ，由式 1-1 可得到phs IUII 0 （ 3-1）太阳能电池在光谱辐射通量的相对分布关系不变时，其工作范围处于线性响应区域，短路电流与入射光强度呈线性关系，如图 3-1 所示mAI sc /0/ II图 3-1 短路电流与入射光强度理想关系实验中，入射光强通常以光功率计测出，图中的横坐标可用其相对光强 0/ II 来表示。2.太阳能电池开路（ I0）时，令开路电压为 ocU ，由 2-6 式和 3-1 式可得到1l n 00IIqn k TIUU scoc （ 3-2）即太阳能电池的负载电阻足够大时，入射光的相对光强度与太阳能电池输出的电压间呈现出非线性的关系，如图 3-2 所示VU oc /0 图 3-2 开路电压与入射光强度理想关系0/ II0 毕业设计（论文）8 3.太阳能电池工作在无偏压状态下，其两端接上可变的负载电阻 LR ，当入射光强度不变时，用图 3-3 所示的电路可测出太阳能电池的伏安特性曲线如图 3-4 所示图 3-3 无偏压时太阳能电池伏安特性测量电路图 3-4 无偏压时太阳能电池伏安特性理论曲线为了能够描述太阳能电池的输出功率的能力，定义 FF 填充因子（曲线因子）为ocscmmUIUIFF （ 3-3）它是用来描述太阳能电池输出特性曲线的 “方形”的程度，实用太阳能电池的填充因子一般在 0.60.75。显然输出功率越大，填充因子越高，即太阳能电池的性能越好。此外，太阳能电池在实际使用中，光电转换后的输出能量还受到外界入射光的波长及环境的温度等影响。4.太阳能电池在没有外界入射光照射的情况下，可视为一个二极管，若外界一个正向偏压电路，如图 3-5 所示，当开关 2S 与触点 1 接通时，电压表测量太阳能电池的电压（ ocU ），当开关 2S 与触点 2 接通时，电压表测量流过太阳能电池的电流（22RUIsc ），改变电位器（ 1R ）的输出电压 [8]，则可得到在有偏压的情况下，太阳能电池的伏安特性曲线如图 3-6 所示。图 3-5 有偏压时太阳能电池伏安特性测量电路图 3-6 有偏压时太阳能电池伏安特性理论曲线AI /maxPmI0 mU VU oc /mAI sc /0 VU oc /毕业设计（论文）9 根据曲线得到其电流与电压的关系式10 ocUsc eII （ 3-4）交式中 0I 和都是常量，在短路时， 0scI ；在非短路时的端电压为]1l n [10IIU scoc （ 3-5）3.2 太阳能电池测试系统结构本设计通过对传统太阳能电池测试实验设备进行分析整合，并在其基础上进行创新设计，得到的集成太阳能电池测试系统，本系统主要由电源模块，执行模块，测试反馈模块三部分组成，其系统结构框图如图 3-7 所示图 3-7 太阳能电池测量系统结构框图图中左侧虚线框内表示电源模块，主要用于对整个系统进行供电，由于执行模块的两部分所使用的电源的电压不同，所以就需要本系统的电源模块能同时产生两种电压的电能为系统供电，所以，这个模块对整个系统的成败起到支撑的作用；中间虚线框内表示执行模块，在执行模块中主要由两个电路组成测试电路和可调光照电路，这两个电路时本次设计的核心部分，也是本系统是否能完成太阳能电池性能测试实验的决定因素，所以下文对这一部分的介绍也是重中之重；最后，右侧虚线框内表示测试反馈模块，在这一模块中主要有显示电路，这个电路主要是用来观察太阳能发电的过程中发电能力的强弱的，它为整个系统能达到完整的测量效果起到很重要的作用。3.2.1 电源模块滤波整流220V 电源显示电路可调光照电路测试电路光电源模块测试反馈模块执行模块毕业设计（论文）10 电路为了能使太阳能电池测试电路所测出的结果更加真实、准确，一个高效稳定的电源将是整个测量系统的决定性因素。因此本系统采用新型 12V开关式稳压电源作为系统的供电电源，在有偏压测试时，为太阳能电池提供标准稳定的偏执电压，其效果比传统的 5V电源测量效果更加明显 [9] ，从而方便测量，其原理图如图 3-8 所示图 3-8 开关电源原理图3.2.2 执行模块本系统的执行模块式在传统的太阳能电池测试电路的基础上做出创新设计，并进行集成得到。它主要由两部分组成可调光照电路和性能测试电路。（ 1）可调光照电路本系统应用的可调光照电路，不但能够实现亮度可调，而且调整后的亮度不会因电网电压波动而变化。在亮度调节过程中，光强变化均匀、稳定，为测量提供 1R 方便。图 3-9 可调光照电路原理图220V HL VT 3A/400V VD 1PR47K 3R2R1R1C2PRGR毕业设计（论文）11 如图 3-9 所示为可调光照电路原理图，由 2R 、 1PR 和 1C 组成的阻容移相电路决定可控硅的导通角。当 1C 两端电压经 2R 、 1PR 充电上升到双向触发管的导通电压时，双向可控硅 VT 被触发导通，当交流电电压过高时，双向可控硅自行判断，调节 1PR 可改变 1C 的充电时间，从而改变双向可控硅在交流电正、负半周时的导通角，以便得到需要的亮度。图中 3R 、 2PR 及光敏电阻 4R 串联后和 1C 并联。在 3R 、 2PR 固定的情况下，分流的大小由光敏电阻 4R 的阻值来决定。当电网电压上升，灯光亮度增加，光敏电阻 4R 受到的照度增大，阻值减小，分流增大。 1C 两端电压上升变慢，可控硅导通角增大，输出电压增加，灯光的亮度也相应增加，这样就自动地将输出电压稳定在需要的数值，保证了灯光亮度的稳定 [10]。（ 2）性能测试电路本系统的太阳能性能测试电路在传统测试电路的基础上进行设计，合二为一，在测试过程中，通过开关就能改变电路，完成传统多个电路才能完成的测试，大大增加了测试过程的便利。图 3-10 太阳能电池测试电路原理图如图 3-10 所示，为太阳能测试原理图。通过该电路可以完成整个太阳能电池测试实验。（ 1）当断开开关 3S 、 2S 、 1S 时，在触点 1、 2 接电流表，改变光照强度，此时太阳能电池被短路（ U0），可测出太阳能电池的短路电流与入射光强的关系。（ 2）当断开开关 3S 、 2S 、 1S 时，在触点 1、 2 接电压表，改变光照强度，此时太阳能电池开路（ I0），可测出太阳能电池的开路电压与入射光强的关系。毕业设计（论文）12 （ 3）当闭合开关 2S ，断开开关 1S 、 3S 时，在触点 2、 3 接电流表，在触点 1、 4 接电压表，给最强光照，然后改变滑动变阻器（ 10K电位器）的阻值，此时可测出太阳能电池在无偏压状态下，伏安特性的变化情况。（ 4）当闭合开关 1S 、 3S ，断开开关 2S 时，分别在触点 1、 2 和触点 3、 4 接电压表，关闭光照并密封暗室，然后改变滑动变阻器（ 10K电位器）的阻值，此时可测出太阳能电池在有偏压状态下，伏安特性的变化情况。3.2.3 测试反馈模块为了使实验过程中太阳能电池板的数据测量更加方便快捷，减少因测量接点过多而导致测错数据而浪费时间，甚至造成仪器的损坏，本太阳能测试系统采用了外接接点的方式，使测试电路的测试点与测试电路分离，这样结构设计不但使本系统在测试过程中不再是大量错综复杂的接点，而是几个关键的测试接点；而且减少了与电路的直接接触，减少了误差及器件的损坏率。另外本系统为了方便对太阳能电池发电的过程的直观观察，还专门制作了一个电池发电电量变化显示模块，在测试过程中可以通过发光二极管的明亮变化清晰直观的观察太阳能发电的电量变化情况。3.3 硬件抗干扰措施目前，硬件抗干扰手段是有效解决设计系统被抗干扰问题的最有效措施，它能有效减少非人为因素产生的误差，大大提高太阳能电池性能测试电路的抗干扰的能力，本系统的抗干扰措施主要从以下两个方面着手。（ 1）包装抗干扰措施由于电路中运用大量电阻，由于电阻的精度问题会对电路精度产生很大影响，也会给电路带来很大的温漂，为了解决隔离电路的精度、线性度以及温漂等问题，可以在电路中采取高精度、高稳定性的金属膜电阻。为了更好的减少外界光强对太阳能电池测试时造成干扰，本设计采用了半密闭式实验装置结构，在对实验设备检查时即可打开箱体结构，实验时又可关闭减少外界光源对实验的影响，这样的设计既方便了对实验现象的观察和实验设备的检测，也提高了测试结果的准确度。（ 2）电路抗干扰措施电路抗干扰措施首先从选择元器件开始，要选择那些集成程度较高，抗干扰能力较强，功耗较小的电子器件用于电路焊接使用。其次，由于一般有用信号只处于某一段频率，因此可以选择适当的滤波器件将信号以外频率成分的信号（噪声）衰减掉，起到滤毕业设计（论文）13 波的作用 [11]。毕业设计（论文）14 第 4 章测量数据处理4.1 测量数据处理（ 1）太阳能电池短路时，测出短路电流 scI 与入射光强度 0/ II 的关系如表 4-1 短路电流 scI （ mA ） 0.01 2.08 7.15 7.94 9.52 14.37 16.41 18.03 21.84 入射光强度 0/ II （ lx ） 0.83 10.13 90.36 104.8 140.8 275.8 347.8 445.8 545.8 短路电流 scI （ mA ） 24.44 28.44 33.78 38.84 45.07 48.89 54.36 58.85 入射光强度 0/ II （ lx ） 674.3 859.0 1140 1448 1838 2089 2466 2836 表 4-1根据表 4-1 中数据，绘制短路电流 scI 与入射光强度 0/ II 的关系图线如图 4-1 图中 0/ II 表示太阳能电池板接收到的光强强度， scI 表示在对应的光强下太阳能电池产生的短路电流，其中，图中的虚线为短路电流与入射光强关系的理论曲线，实线为本次太阳能电池测试的实际测量曲线，由于受到测量手段的限制 -手动测量时，太阳能电池的短路电流受光强的变化较为敏感，容易受到外界光源的影响。所以导致测量曲线无法达到理论曲线的平直程度。（ 2）太阳能电池开路时，测出开路电压 ocU 与入射光强度 0/ II 的关系如表 4-2 图 4-1 短路电流 scI 与入射光强度 0/ II 的关系图线毕业设计（论文）15 短路电压 ocU （ V） 0.196 7.225 9.017 12.19 14.20 14.81 15.34 15.50 15.77 入射光强度 0/ II （ lx ） 0.39 4.14 10.58 45.42 134.6 194.6 252.9 279.8 345.6 短路电压 ocU （ V） 16.43 17.05 17.29 17.35 17.46 17.62 17.89 18.03 入射光强度 0/ II （ lx ） 568.8 949.8 1172 1263 1442 1689 2338 2658 表 4-2根据表 4-2 中数据，绘制开路电压 ocU 与入射光强度 0/ II 的关系图线如图 4-2 图中 0/ II 表示太阳能电池板接收到的光强强度， ocU 表示在对应的光强下太阳能电池的开路电压，其中，蓝点表示测试是的离散关系点，虚线为通过离散关系点绘制的关系图线。由于测量的离散关系点较多，连成的离散关系图线基本与理论曲线一致，基本达到测量目的。（ 3）太阳能电池工作在无偏压状态时，光照强度不变，改变滑动变阻器（ 10K电位器）阻值，测出此时滑动变阻器（ 10K 电位器）的端电压 U 与与电流 I 的关系如表4-3 端电压 U （ V ） 0.00 5.90 11.80 13.31 15.54 16.43 16.56 16.69 16.96 电流 I （ mA ） 53.55 49.29 45.03 44.77 40.61 26.88 24.48 22.09 15.83 端电压 U （ V ） 17.02 17.13 17.25 17.36 17.48 电流 I （ mA ） 11.64 9.44 7.24 3.72 0.20 表 4-3根据表 4-2 中数据，绘制太阳能电池在无偏压情况下的伏安特性曲线如图 4-3 图 4-2 开路电流 ocU 与入射光强度 0/ II 的关系图线毕业设计（论文）16 图中 I 表示太阳能电池在无偏压时通过负载的电流， U 表示太阳能电池在无偏压时负载两端的电压，其中，蓝点表示测试时的离散 U-I 关系点，虚线为通过离散关系点绘制的关系图线。为了消除关系图线中的折点，得到完美的圆滑曲线，使用曲线拟合软件进行最小二乘法曲线拟合，得到拟合函数关系，如图 4-4 所示4-4 曲线拟合软件拟合过程图通过拟合的函数关系式绘制出拟合函数的图线，使其与原始离散关系图线相比较，图 4-3 无偏压时太阳能电池的伏安特性曲线毕业设计（论文）17 得到比较图线。如图 4-5 所示由式 3-3 可计算出该太阳能电池的填充因子695.6848.1755.53 50.4445.14ocscmmUIUIFF通常情况下， 555nm 黄光光强达到 6831lx 时光功率为 2/1 mW本实验使用的太阳能电池板规格为 340mm*285mm，则该太阳能电池板在最大光强下接收到的光功率 inP 为 6.656W，根据式 2-7，可计算出此时太阳能电池的光电转换效率inPPmax659.648.1705355.0695.68inscocPIUFF9.66 （ 4）太阳能电池工作在有偏压状态时，光照强度不变，改变滑动变阻器（ 10K电位器）阻值，测出此时电阻（ 10K）的端电压 U 与与电流 I 的关系如表 4-4 所示。表 4-4端电压 U （ V ） 1.432 1.907 2.147 2.434 2.609 2.846 3.228 3.488 3.685 电流 I （ mA ） 2.15 4.58 6.01 7.88 9.38 13.45 16.53 18.81 20.67 端电压 U （ V ） 4.190 4.445 4.955 5.248 5.388 5.749 5.871 5.993 6.047 电流 I （ mA ） 26.01 29.05 32.22 35.76 40.33 46.62 51.28 55.93 59.62 图 4-5 修正后的无偏压时太阳能电池的伏安特性曲线毕业设计（论文）18 根据表 4-4 中数据，绘制太阳能电池在有偏压情况下的伏安特性曲线如图 4-5 所示。图中 I 表示太阳能电池有偏压时通过负载的电流， U 表示太阳能电池有偏压时负载两端的电压，其中，蓝点表示测试是的 U-I 离散关系点，虚线为通过离散关系点绘制的关系图线。由于测量的离散关系点较多，连成的离散关系图线基本与理论曲线一致，基本达到测量目的。4.2 硬件电路焊接及包装焊接电路时应按照以下顺序进行焊接，依次焊接微小器件（电阻、电容等）；焊接电源模块，并进行电源模块的调试，确保各组电源的正确无误，焊接，然后焊接执行模块；最后在电路焊接完毕后，酒精浸泡 10 分钟左右，用刷子洗刷干净，晾干。本系统的电路数据误差大约在 3左右，基本实现了电路设计要求 [12]。本系统采用了半密闭式暗室进行包装，这样既保证了内部电路与测试面板的分离，减少了测试者与内部电路的接触，同时也保证了实验过程的可观察性。使测试过程更加方便、安全。使用者在对实验设备进行检查时只需打开实验系统的外包装，即可观察到整个系统的内部硬件，在实验时，又可以通过关闭系统包装，使实验进行在一个相对密闭的环境中，这样的设计既方便了设备检查又提高了测量的精度。图 4-5 有偏压时太阳能电池的伏安特性曲线毕业设计（论文）19 结论本文通过查阅大量文献，根据太阳能电池的发展现状以及未来的发展趋势，从太阳能电池的原理到太阳能电池的实际测试过程，进行了仔细的研究工作，设计出一个基于太阳能电池测试实验的操作仪器。论文的主要工作及结论如下1、设计出一个基于太阳能电池测试实验的操作仪器，该仪器可以更加方便的进行太阳能测试实验，并能达到预期的测量精度，设计结构简单，理念新颖。2、电路硬件设计包括电源模块、执行模块、测试反馈模块，使测试过程更加完整。本课题所研究的太阳能电池测试系统在设计上仍然存在一些不足以及需要改进的地方，主要有以下两点1、本系统在测试实验的后期数据处理仍需手动计算，如果能将测试的数据直接输入 PC，通过 PC 的强大计算能力进行虚拟拟合。2、本系统的内部电路由于是手工制做焊接，电路焊点之间可能产生干扰误差，如果能集成电路板，可更好减少误差。本设计存在着的缺点和不足，在以后的工作、学习中我会对其加以改正。毕业设计（论文）20 参考文献[1] 施正荣 . 晶体硅太阳能电池的现状和发展 [D]. 无锡尚德太阳能电力有限公司，2006. [2] 魏永利 . 太阳能电池光谱响应测试系统研究 [D]. 河北工业大学硕士学位论文，2009-12-01. [3] 曾令驰 . 适合教学的高性能太阳能电池测试系统 [J]. 物理实验， 2008-03. [4] 林红 . 太阳能电池发展的新概念和新方向 [J]. 稀有金属材料与工程， 2009-09. [5] J.Veirman, Electronic properties of highly-doped and compensated solar-grade sillicon wafers and solar cells. American In