太阳能电池的特性测量-solarbe文库

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太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压 U 0和短路电流 I s。2. 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。3. 确定太阳能电池的最大输出功率 Pmax 以及相应的负载电阻 Rmax 和填充因数。原理当光照射在距太阳电池表面很近的 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，总有一定几率扩散到结界面处。在 p 区与 n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由 n 区指向 p区，这个电场称为内建电场。只有 p 区的光生电子和 n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向 n 区，光生空穴被拉向 p 区，即电子空穴对被内建电场分离。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。它们产生一个与热平衡 pn 结的内建电场方向相反的光生电场，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 I s。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 I 为两个电流之差 DS UIΦII （ 1）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 I s，以及取决于端电压 U 的正方向电流 I D。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 ID 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。图 2 在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（ U max， Imax最大功率点）当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流等与光生电流 I s。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 R。太阳能电池的输出功率在最大负载电阻 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 U 0/I S （ 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S0maxIUPF（ 3）F 称为填充因数。我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会导致更大的开路电压 U0，而并联会导致更大的短路电流 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来实现。此外，太阳能电池的输出功率PU· I （ 4）是负载电阻RU /I （ 5）的函数。仪器太阳能电池两块插件板 A4 大小万用表两块一个光源卤素灯一个稳压源 212V， 100W 图 3 实验装置仪器调整实验装置见图 3。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 2V。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。实验步骤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或调节光源输出光功率，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 1。3. 断开电路，测量开路电压并记录。4. 调节电源功率，调整短路电流约 35mA ， 25mA 和 15mA ，并重复上述测量。5. 根据表 1，用坐标纸或 Excel 绘出 U-I 曲线。6. 根据表 2，坐标纸或 Excel 绘出 P-R 特性曲线。7. 计算表格 3 的物理量。8．由表格 4 计算填充因数的平均值。数据记录表格表 1测量太阳能电池的端电压 U 和通过负载电阻的电流 I 短路电流 IS 开路电压 U 0 第一组第二组第三组第四组I S U 0 IS U0 IS U0 I S U 0 I /mA U/V I/mA U/V I/mA U/V I /mA U/V 表 2根据表 1 测量的 U 和 I 值计算得到的 P 和 R 值第一组第二组第三组第四组R/Ω P/mW R/Ω P/mW R/Ω P/mW R/Ω P/mW 表 3对应于最大功率的负载电阻值 Rmax和根据（ 2）式计算出的内阻值 Ri第一组第二组第三组第四组Rmax/ΩRi/ΩRmax/ Ri表 4最大功率 Pmax 和开路电压与短路电流的乘积第一组第二组第三组第四组Pmax/mW U0· IS/ mW FPmax/ U0· IS思考题1. 由表 1 绘出的伏安特性曲线说明负载电阻 R、端电压 U 及光的辐射强度之间的关系。2. 由表 2 绘出 P-R 特性曲线说明在一定的光照强度下， P 与 R 之间的关系。3. 太阳能电池的短路电流与光照强度之间是什么关系4. 在一定的负载电阻下，太阳能电池的输出功率取决于什么何时输出功率最大且与光照强度有怎样的关系5. 对于负载电阻较小时，太阳能电池表现出什么特性，而负载电阻较大时有什么特性