太阳能电池特性分析

太阳能电池特性分析
太阳能电池特性分析

太阳能电池特性分析
§2.1 前言
太阳光电能是干净、无污染且到处可得的能源,而且是取之不尽、用之不竭。在化石能源逐 渐短缺的今日, 选择太阳光电能作为替代能源是解决能源危机的途径之一。 然而太阳能电池 (Solar Cell,在物理学上称为 Photovoltaic Cell:简称 PV)的成本高、效率低却成为它发展 的重要瓶颈, 因此如何在单位面积内使太阳能电池发挥最大的发电量, 就成为发展太阳能工 业的一大研究重点。 以下第二节为对太阳能电池原理做一简单的介绍。 第三节为介绍太阳能 电池的种类。 第四节则介绍太阳能电池的电气特性。 第五节介绍太阳能电池组件的建模与分 析。
§2.2 太阳能电池的原理[16~17]
太阳能电池的能量转换是应用 P-N 结的光伏效应(Photovoltaic Effect) 。首先对 P-N 结二极 管做一简单说明。如图 2-1 所示,为一理想的 P-N 结二极管的电流-电压(I-V)特性图,其 对应的方程式如下:
(2.1)
其中 Ipn,Vpn:P-N 结二极管的电流及电压 k:波尔兹曼常数(Boltzmann Constant:1.38×10-23J/K) q:电子电荷量(1.602×10-19 库仑) T:绝对温度(凯氏温度 K=摄氏温度℃+273 度) Is:等效二极管的逆向饱和电流 VT :热电压(Thermal Voltage:25.68mV)
图2-1 P-N结二极管I-V特性图
太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子(Photons) ,而每个光子 所携带的能量为 Eph:

(2.2)
其中 -15 h:普郎克常数(Planck Constant:4.14×10 eV·S) c:光速(3×108m/s) λ:光子波长 但并非所有光子都能顺利地通过太阳能电池将光能转换为电能, 因为在不同的光谱中光子所 携带的能量不一样: 1. 当光子所携带的能量大于禁带(Band Gap)能量时,电子由价电带(Valence Band)跃迁 至导电带(Conduction Band)而产生所谓的“电流” ,所以当光子所携带的能量若大于禁带 能量时,便可以通过光电子转换成电能,如图 2-2 所示。 2. 若光子所携带得能量小于禁带能量时,就对太阳能电池而言并没有什么作用,不会产生 任何的电流。 但在太阳光照射到太阳能电池产生电子-空穴对(Electro-Hole Pair)的同时,也会有部份的 能量以热能形式散逸掉而不能被有效的利用。
图2-2 太阳光照射在太阳能电池上的示意图
当入射太阳光的能量大于硅半导体的禁带能量时, 太阳光子照射入半导体内, 把电子从价电 带激发到导电带,从而在半导体内部产生了许多“电子-空穴”对,在内建电场的作用下, 电子向 N 型区移动,空穴向 P 型区移动,这样,N 区有很多电子,P 区有很多空穴,在 P-N 结附近就形成了与内建电场方向相反的光生电场, 它的一部分抵消了内建电场, 其余部分则 使 P 区带正电,N 区带负电,于是在 N 区与 P 区之间产生了光生伏打电动势,这就是所谓 的“光生伏打效应” 。 如果位太阳电池开路,即组成电池回路中,负载电阻为无穷大,则被 P-N 结分开的电子和 空穴,就会全部积累在 P-N 结附近,于是出现了最大光生电动势,它的数值即为开路电压, 记作 Voc。 如果把太阳电池短路,即回路负载电阻为零,则所有 P-N 结附近的电子与空穴,由结的一 边,流经外电路到达结的另一边,产生了最大可能的电流,即短路电流记作 ISC。 太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄 P-N 结的大面积的等效二极管,因此可以假设 太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路,如图 2-3 所示。

图2-3 太阳能电池的理想状态等效电路
§2.3 太阳能电池的种类[14~19]
目前市面上的太阳能电池的分类及其在市场上的占有率如图 2-4 和图 2-5 所示[18]。 大致上可 分为堆积型(Bulk Type)和薄膜型(Thin Film Type)两种,介绍如下:
图2-4 太阳电池种类

图2-5 各种太阳电池的市场占有率
堆积型太阳能电池又可分为: 单晶硅太阳能电池 多晶硅太阳能电池 III-V 族化合物半导体太阳能电池 薄膜型太阳能电池又可分为: 非晶硅太阳能电池 II-VI 族化合物半导体太阳能电池
§2.3.1 单晶硅太阳能电池[16
~19]
单晶硅太阳电池其特征如下: (1) 原料硅的藏量丰富。由于太阳光的密度极低,故实用上需要大面积的太阳电池,因此在 原材料的供给上相当重要,再加上 Si 材料本身对环境影响极低。 (2) Si 的密度低,材料轻。 (3) 多晶硅及非晶硅太阳电池比较,其转换效率较高。 (4) 发电特性极稳定,约有 20 年耐久性。 (5) 在太阳光谱的主区域上,光吸收系数只有 103cm-1 程度,相当小。故为吸收太阳光谱, 需要 100μm 厚的硅。 目前单晶硅太阳能电池的开发是朝着降低成本和提升效率的两方面着手, 单晶硅太阳能电池 (Cell)的转换效率约为 15-17%,而组件(Module)化后其转换效率约为 12-15%,一般厂 商对组件化转换效率的定义, 是依照该组件中最低太阳能电池转换效率为基准, 而不是取太 阳能电池的平均转换效率,如图 2-6 所示。现阶段的发展是以铸造硅(Cast Si)为主要材料, 而其每 10cm2 的单位转换效率已高达 17.2%, 且进入大规模生产期。 目前世界上效率最高的 是由澳洲的 Mr. Green 所开发出来,其面积为 4cm2 所得到转换效率可高达 23.4%。
图2-6 串联效率不同的太阳能电池

§2.3.2 多晶硅太阳能电池[16
~19]
单晶硅太阳能电池虽有其优点, 但因价格昂贵, 使得单晶硅太阳能电池在低价市场上的发展 受到阻碍。而多晶硅太阳能电池则首先是以降低成本,其次才是效率。多晶硅太阳能电池降 低成本的方式主要有三个, 一是纯化的过程没有将杂质完全去除, 二是使用较快速的方式让 硅结晶, 三是避免切片造成的浪费。 因为这三个原因使得多结晶硅太阳能电池在制造成本及 时间上都比单晶硅太阳能电池少, 但因为这样使得多晶硅太阳能电池的结晶构造较差。 多晶 硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池虽然结晶构造不一样但发电原理一样。 多晶硅太阳能电池结晶构造较差主要的原因有两个, 一是本身含有杂质, 二是硅在结晶的时 候速度较快, 硅原子没有足够的时间成单一晶格而形成许多结晶颗粒。 结晶颗粒愈大则效率 与单晶硅太阳能电池愈接近, 结晶颗粒愈小则效率愈差, 而且结晶边界的硅原子键结情况较 差,容易受紫外线破坏而产生更多的悬浮键,随着使用时间的增加,悬浮键的数目也会随着 增加,光电转换效率因而逐渐衰退,这两个是多晶硅太阳能电池的主要缺点,而成本低为其 主要优点。 多晶硅太阳能电池在工业上的运用,目前可达到每 100cm2 的单位转换效率为 15.8%(Sharp 公司) ,若在实验室中则达到面积每 4cm2 的单位转换效率为 17.8%(UNSW) ,多晶硅太阳 能电池的一般转换效率约为 10-15%,组件化的转换效率约为 9-12%。由上述的效率和组件 化观点,我们不难发现为什么单晶硅较常被采用的原因。
§2.3.3 III-V 族化合物半导体[18,19,21]
III-V 族化合物半导体太阳能电池特征如下: IIIIII高效率:已知太阳能电池的光电转换理论效率,与半导体的禁制带 宽有关。一般认为,有 1.4~1.5eV 左右禁制带宽的半导体,适合高效率太阳电 池材料。 与禁制带宽为 1.1eV 的 Si 比较, 1.41eV 的 GaAs, 1.35eV 的 InP 或 1.44eV 的 CdTe 有较高效率。 (2) 适合薄膜化:因为 Si 的光吸收系数小,为吸收充足的太阳光,如图 2-7 所示,需要 100 μm 以上的厚度,而化合物半导体的光吸收系数大,只要几μm 的厚度,即可有充分的效 率。太阳电池的薄膜化,可节省大量材料。 (3) 可耐放射线损伤:更适合太空用途。 (4) 高集光性:在高温工作时,太阳电池效率的降低较小,如图 2-8 所示。因此,聚光工作 时温度的影响较小,可以比 Si 结晶太阳电池的集光性提高 1000 倍以上。 (5) 各种半导体的组合,可使波长感度的带宽域化,可期待高效率化。 III-V 族化合物半导体,可以达到 30-40%的超高效率,这种太阳能电池的第二代有较小单位 面积,但却拥有超高效率的特性,已在专业实验室中获得证实,例如磷化镓铟(GaInP)/ 砷化镓(GaAs)已可得到将近 30%的效率。而就所知,利用聚光方式可使太阳能电池的转 换效率再向上提升,例如把砷化镓(GaAs)/锡化镓(GaSn)叠层起来,太阳能电池在聚 光下的转换效率也可高达 35.8%,这是目前世界上所得到最高转换效率的太阳能电池[21]。 但是,GaAs 材料非常昂贵,这是 GaAs 电池大面积推广的最大障碍。为了降低成本,可利用 聚光系统。聚光系统不但使用相对便宜的塑料透镜和金属外壳,而且也改善了电池性能。

图2-7 Si及GaAs太阳电池理论转换效率与膜厚,粒径关系
图2-8 化合物半导体的光电池转换效率
§2.3.4 薄膜型太阳能电池[18,19,20,22]
薄膜型太阳能电池由于使用材料较少, 就每一组件的成本而言比起堆积型太阳能电池有着明 显的减少, 制造程序上所需的能量也较堆积型太阳能电池来的小, 它同时也拥有整合型式的 连接组件, 如此一来便可省下了独立组件所需在固定和内部连接的成本。 未来薄膜型太阳能 电池将可能会取代现今一般常用硅太阳能电池,而成为市场主流。 非晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的最主要差异是材料的不同, 单 晶硅太阳能电池或多晶硅太阳能电池的材料都是硅,而非晶硅太阳能电池的材料则是 SiH4, 因为材料的不同而使非晶硅太阳能电池的构造与晶硅太阳能电池稍有不同。 SiH4 最大的优点为吸光效果及光导效果都很好,但其电气特性类似绝缘体,与硅的半导体 特性相差甚远, 因此最初认为 SiH4 是不适合的材料。 但在 1970 年代科学家克服了这个问题, 不久后美国的 RCA 制造出第一个非晶硅太阳能电池。 虽然 SiH4 吸光效果及光导效果都很好, 但由于其结晶构造比多晶硅太阳能电池差,所以悬浮键的问题比多晶硅太阳能电池还严重, 自由电子与空穴复合的速率非常快;此外 SiH4 的结晶构造不规则会阻碍电子与空穴的移动 使得扩散范围变短。基于以上两个因素,因此当光照射在 SiH4 上产生电子空穴对后,必须 尽快将电子与空穴分离,才能有效产生光电效应。所以非晶硅太阳能电池大多做得很薄,以 减少自由电子与空穴复合。由于 SiH4 的吸光效果很好,虽然非晶硅太阳能电池做得很薄, 仍然可以吸收大部分的光。 非晶硅薄膜型太阳能电池的结构不同于一般硅太阳能电池,如图 2-9 所示,其主要可分为三

层,上层为非常薄(约为 0.008 微米)且具有高掺杂浓度的 P ;中间一层则是较厚(0.5~1 微米)的纯质层(Intrinsic layer) ,但纯质层一般而言通常都不会是完全的纯质(Intrinsic) , 而是掺杂浓度较低的 n 型材料;最下面一层则是较薄 (0.02 微米)的 n。而这种 p+-i-n 的结构较传统 P-N 结构有较大的电场,使得纯质层中生成 + 电子空穴对后能迅速被电场分离。而在 P 上一层薄的氧化物膜为透明导电膜(Transparent Conducting Oxide :TCO) ,它可防止太阳光反射,以有效吸收太阳光,通常是使用二氧化硅 (SnO2) 。非晶硅太阳能电池最大的优点为成本低,而缺点则是效率低及光电转换效率随使 用时间衰退的问题。 因此非晶硅太阳能电池在小功率市场上被广泛使用, 而在发电市场上则 不具竞争力。

图2-9 非晶硅薄膜型太阳能电池的结构图
近年来,全球太阳电池的开发与应用的发展速度很快,每年递增 30%,主要产品为晶体硅和 非晶硅电池。但是,非晶硅太阳电池一直困扰于性能衰降问题,产量未见增加,晶体硅和非 晶硅太阳电池实际价格很高的状况仍未改变。 从固体物理学上讲, 硅材料并不是最理想的光 伏材料,这主要是因为硅的光吸收系数较低。因此,新型薄膜太阳电池的研究近十年来受到 高度重视。最具有发展前途的是碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)薄膜太阳电池,因为它们有 非晶硅薄膜型太阳能电池所不能达到的高效率与可靠度。 就效率而言, 它在很小的单位面积 上已经可达到 16%以上,且没有可靠度方面的问题。在大面积电池的研制,规模化生产的 发展,低的生产成本等方面,鍗化镉(碲化镉)电池显现出其它电池无法比拟的优势,它们的 生产成本约为单晶硅太阳电池 1/3~1/2。虽然它们的研究目前已经取得相当大的进展,并已 进行批量生产,但要与晶体硅太阳电池抗衡还需要做大量的工作。
§2.4 太阳能电池的电气特性
如前面图 2-3 所示,太阳能电池在理想状态时,可用式(2.3)来表示其 I-V 关系式:
(2.3)
其中 Isc:某日照量下太阳能电池的短路电流 Is:等效二极管的逆向饱和电流 n:理想参数值,一般介于 1~2 之间 图 2-10 为太阳能电池实际的等效电路[16,17,23],可用式(2.4)来表示其 Ipv-Vpv 关系式:

(2.4)
其中 Rs:硅内部电阻与电极电阻等之串联等效电阻 Rsh:各种原因所造成而呈现接面不完全的并联电阻 此外,在式(2.4)中的 Is 表示太阳能电池中的逆向饱和电流,同时也是温度的函数,其数 学关系式可以表示如下[24]:
(2.5)
其中 Tr:太阳能电池的参考温度(K) Isr:太阳能电池在温度 Tr 时的逆向饱和电流 EGap:半导体材料跨越禁带时所需的能量 q:电荷量(1.6×10-19) 由式(2.5)可知,在定电流源 Isc 所产生的电流,有一部份会在太阳能电池中的二极管中消 耗掉。 一般在讨论太阳能电池实际等效电路时,可通过忽略 Rs 或 Rsh 的情况,做以下两种的探讨 [16,17,25] : 1. 当日照强度很低时,太阳能电池的泄漏电流 Rsh/Vd 与二极体电流 Id 的大小相当,因此太 阳能电池输出电流受 Rsh 的影响较 Rs 的影响大许多,故可将式(2.4)改写为:
(2.6)
2. 若日照强度很高时,二极管电流 Id 远大于泄漏电流 Rsh/Vd,则此时 Rsh 的影响很小,Rs 便 成为影响太阳能电池输出得主要原因,因此式(2.4)可简化为:
(2.7)
太阳能电池的等效电路中的内部串联电组 Rs 与并联电阻 Rsh 为影响太阳能电池输出特性的最 主要因素。Rs 与 Rsh 对输出特性有不同的影响,其中 Rs 越大则短路电流会越小,但几乎不会 对开路电压造成影响;而 Rsh 越大则开路电压会越小,但并不会影响到短路电流。在发电效 率上,由于正常操作条件下,太阳能电池的输出电压与电流变化中,似乎输出电流对输出功 率的影响程度会较大,加上影响开路电压的因素除了 Rsh 外还包括二极管的电流值,因此 Rs 对太阳能电池发电效率影响较为明显, Rsh 的影响则比较不明显。 而 在结晶硅太阳能电池中, Rs 每增加一欧姆约使发电效率降低 1%,而一般结晶硅太阳能电池的 Rs 约在 0.6Ω左右。

图2-10 实际状态时的的等效电路
由式子(2.7)可知 Isc 和 Is 的大小值与太阳能电池的整个结构相当有关,例如:太阳能电池 的几何形状、制造过程都是影响的因素。在 Ipv-Vpv 的特性曲线中,要特别注意下列几点:在 短路情况下(Vpv=0) ,这时所有产生的电流全都流向外加的短路负载而不会流经过二极管, 此时短路电流 Ipv 几乎等于光照下所产生的电流 Isc;当处于开路情况时(Ipv=0) ,光照下所产 生的电流完全流经二极管,此时开路电压 Voc 为[26]:
(2.8)
利用式子(2.7)可画出太阳能电池的 Ipv-Vpv 及 Vpv-Ppv 等特性曲线,如图 2-11 所示,由图可 知太阳能电池的输出曲线为非线性且为温度与日照强度的函数, 每一条曲线中各点所能画出 的最大矩形面积则是 Ipv 与 Vpv 的最大乘积值称为最大功率点, 定义为 Pmax, 为在该日照强度 下,它所能输出功率的最大值。而太阳能电池的填充因子(Fill Factor:F.F)及转换效率ηs, 分别定义为:
(2.9) (2.10)
其中 Pin 为单位面积入射光功率,就是所谓的日照强度(Irradiation)。

图2-11 太阳能电池的输出特性
§2.5 太阳能电池组件的建模与分析
太阳能电池阵列(Array)是由许多小单位的组件经由并联或是串联组合所组成;组件串联 组合可以提高太阳光电能发电系统的最高输出直流电压; 组件并联组合可以提高太阳光电能 发电系统的最高输出直流电流, 而串联或并联组件可以交替使用以便得到期望的输出直流电 压或直流电流值。 由于太阳能电池的制造过程较为复杂, 会造成每一光伏组件的特性不完全 一致,再加上环境的因素,例如:周围环境、灰尘、云层的阻碍、建筑物造成的阴影等等, 使得每一个相同组件所产生的电压、 电流都不尽相同, 而会造成某些组件成为其他组件的负 载的情况发生, 在这个情况下因为能量的消耗会使得组件温度上升, 而当太阳组件内部温度 超过 75℃~85℃时即有可能会造成组件的损坏,或当太阳能阵列装设的地点有被建筑物挡 到时, 造成阴影覆盖在太阳能组件上而造成该组件无法与其它组件产生相同的电压、 电流时。 在太阳阵列中有组件损坏时或组件被阴影挡到时, 所有的电压会全部落在这个组件上, 为了 要解决上述的情况,就在每一个组件并联一个旁路二极管(Bypass Diode) ,如图 2-11 所示, 如此便可提供每一组件一个能量散逸的低阻抗路径,克服了多个组件连接时的问题。 在白天时太阳能电池会对蓄电池组进行充电的工作, 若是太阳能电池在夜晚时或没有足够亮 光时,其输出电压会低于蓄电池电压。此时,太阳能电池的特性表现就如同一般的二极管, 而如蓄电池组有放电工作的话, 电流将会从蓄电池倒流入太阳能电池, 造成太阳能电池的损 坏。 为防止此发生, 其最简单解决方式便是在太阳能电池与蓄电池组之间加入一阻塞二极管 (Blocking Diode) ,如图 2-12 所示。但此二极管于顺向偏压时会有压降产生,并使得成本 提高这是在设计方面应该有所注意的。目前市售二极管的偏压,如图 2-13 所示,硅二极体 为 0.6~0.7V,Schottky 二极管为 0.2~0.3V,Ge 二极管为 0.1~0.3V。以 Ge 二极管而言, 虽然电压降很小, 但逆电流大, 实际上很少使用。 因此充电电压高时, 用低成本的硅二极管, 而充电电压低时,以成本稍高且压降小的 Schottky 二极管最好。

图2-12 太阳能电池模块的连接方式
图2-13 阻塞二极管的特性
我们将根据厂商所提供的资料,建立本系统所使用的太阳能组件 Solar Module SP75 的数学 模型,来分析在不同大气条件下太阳能电池输出特性的变化。SP75 是由 36 个单结晶硅太阳 能电池,所构成 75 峰瓦(Peak Watt)的组件,如图 2-14 及图 2-15 所示。根据本节的描述, 太阳能电池的数学模型可表示为图 2-16 的等效电路(忽略 Rsh 下) ,可以再简化为图 2-17 的 等效电路。

图2-14 SP75单晶硅太阳能电池表面放大500倍
图2-15 SP75组件图(中间)

图2-16 SP75光伏组件的等效电路
图2-17 SP75光伏组件的简化等效电路
表 2-1 为由厂商所提供 SP75,日照量 1kW/m2 在 AM1.5、太阳能电池温度为 25℃时的参数。 一般测试环境上所采用标准测试条件为 (Standard Test Condition: STC) 在 AM1.5 : (Air Mass 2 1.5) ,且太阳能电池温度为 25℃时日照量为 1kW/m 的情况。我们通常定义在一干净无污染 的环境下,且太阳位于天顶时为 AM1,而 AM X 约略近似为 AM 1/cosθ,其中θ为太阳与 天顶所夹的角度,如图 2-18 所示。
表2-1 SP75的规格表 额定最大输出功率 开路电压 短路电流 Pmax=Popt=75W Voc=21.7V Isc=4.8A

最大功率点的电压 最大功率点的电流 开路电压的温度系数 短路电流的温度系数 光伏组件长、宽规格
Vopt=17V Iopt=4.4A -0.077V/℃ 2.06mA/℃ 1172mm×483mm
图2-18 Air Mass的定义图
根据式(2.6) ,计算出其填充因子:
根据式(2.7) ,计算出其转换效率:
由图 2-16,用其近似公式计算,求得其参数:Isc、Is、Rs
(1.)求 Isc:当 Vo=0 时,Isc=Io(设 Rs 很小时,V?Vo=0)
(2.)求 Is:当 Vo=Voc 时,Io=0(T=25℃时,VT=25.68mV)

(3.)求 Rs:当 Vo=Vopt 时,Io=Iopt、P=Pmax
由式(2.7)和其等效电路可知,太阳能电池基本上是由一个电流源和一个二极管所组成, 若忽略其电压的变化,则电流源的大小正比于日照量,其关系如下[27]:
(2.11)
其中 Isc(S):日照量 S 下的短路电流 Isc:日照量 1kW/m2 时的短路电流 S:日照量 由式(2.11) ,若已知太阳能电池在日照量 1kW/m2 时的短路电流 Isc,欲求其它日照量下的短 路电流时,可直接将当时的日照量乘以 1kW/m2 时的短路电流即可求得。 由上述各项条件,可绘出太阳电池组件的特性曲线图。由于太阳能电池在固定温度下,短路 电流可近似正比于太阳光照度,因此只要改变定电流源 Isc 的大小即可以仿真出不同日照量 下太阳能电池的特性曲线。 表 2-1 为厂商所提供的规格表,但是要注意的是这些工作点均是在标准环境下所做的测试, 即日照量为 1kW/m2、组件温度为 25℃时,因此设置于实际环境下则必须在加以修正如下:
(2-12) (2-13)
其中 α:电压温度修正系数 β:电流温度修正系数 VNEW 及 INEW:修正后的电压和电流 Tco 及 So:标准环境下的组件温度和日照量 Tc 及 S:设置环境下的组件温度和日照量 图 2-19 为温度在 25℃,串联电组 Rs=0.614Ω时,分别仿真出日照量在 200~1000W/m2 时的 光伏组件的 I-V 曲线,图 2-20 则为其 P-V 曲线。由此二图中可知日照强度改变时,其开路 电压不会有太大的改变, 但所产生的最大电流会有相当大的变化, 所以其输出功率与最大功 率点会随之改变。

图2-19 不同日照量下对太阳能电池I-V曲线的影响
图2-20 不同日照量下对太阳能电池P-V曲线的影响
图 2-21 为固定日照量在 1000W/m2,串联电组 Rs=0.614Ω时,分别仿真温度在 0℃~100℃ 时的光伏组件 I-V 曲线,图 2-22 则为其 P-V 曲线。由此二图可知,在固定日照强度下,当 温度升高时太阳能电池的开路电压会有所下降,短路电流却会有所增加。整体而言,输出功 率会略微减少,而所能输出的最大功率值也会随着温度的递增而递减,对应于温度变化,最 大功率值也会呈现线性变化。温度的上升,会造成太阳能电池输出功率的减少,因此工作环 境的温度将会直接影响到太阳能电池的效率。

图2-21 不同温度下对太阳能电池I-V曲线的影响
图 2-22 不同温度下对太阳能电池 P-V 曲线的影响

硅光电池伏安特性

实验 项目: 硅光电池伏安特性(综合设计 2-1) 实验 目的: 了解硅光电池的基本特性,测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 实验 仪器: DH-CGOP 型光敏传感器实验仪(包括灯泡盒,硅光电池 PHC,直流恒压源 DH-VC3,九孔板实验箱,电阻箱,导线) 实验 原理: 硅光电池的工作原理 光电转换器件主要是利用物质的光电效应,即当物质在一定频率的照射下,释放出光电子的现象。当光照射金属、 金属氧化物或半导体材料的表面时,会被这些材料内的电子所吸收,如果光子的能量足够大,吸收光子后的电子可 挣脱原子的束缚而溢出材料表面,这种电子称为光电子,这种现象称为光电子发射,又称为外光电效应。有些物质 受到光照射时,其内部原子释放电子,但电子仍留在物体内部,使物体的导电性增强,这种现象称为内光电效应。 光电二极管是典型的光电效应探测器,具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点,广泛用于激光探测器。外加反 偏电压与结内电场方向一致,当 PN 结及其附近被光照射时,就会产生载流子(即电子-空穴对)。结区内的电子-空 穴对在势垒区电场的作用下,电子被拉向 N 区,空穴被拉向 P 区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的 光生载流子先向势垒区扩散,然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时,光生载流子的浓度及 通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。 硅光电池是一个大面积的光电二极管,它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能,因此,可用作光电探测器 和光电池,被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 光电池的基本结构如图 1 所示,当半导体 PN 结处于零偏或负偏时,在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
图 1 光 电池结 构示意 图
图1
光电池结构示意图

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验 太阳能是一种新能源,对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前,太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法,一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电,二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。 为此,我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验,介绍太阳能电池的电学性质和光学性质,并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验,联系科技开发实际,有一定的新颖性和实用价值,能激发学生的学习兴趣。 【实验目的】 1. 无光照时,测量太阳能电池的伏安特性曲线 2. 有光照时,测量电池在不同负载电阻下,I 对U 变化关系,画出U I -曲线图;并测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率max P 及填充因子FF 3. 测量太阳能电池的短路电流SC I 与相对光强0J J 的关系,求出它们的近似函数关系。 【实验仪器】 光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱 【实验原理】 太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压U 与通过的电流I 的关系为 ? ?? ? ??-=10nKT qU e I I (1) 其中0I 是二极管的反向饱和电流,n 是理想二极管参数,理论值为1。K 是玻尔兹曼常量,q 为电子的电荷量,T 为热力学温度。(可令nKT q =β ) 由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为V C E E -的半导体所构成。C E 为半导体导电带,V E 为半导体价电带。 当入射光子能量大于能隙时,光子被半导体所吸收,并产生电子-空穴对。 电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势,这一现象称为光伏效应。

@探究太阳能电池的输出特性

探究太阳能电池的输出特性 一、引言 能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 二、实验目的 1、在没有光照时,太阳能电池主要结构为一个二极管,测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线,并求得电压和电流关系的经验公式。 2、测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性,作出伏安特性曲线图,从图中求得它的短路电流 I SC 、开路电压U OC 、最大输出功率Pm 及填充因子 FF , [FF=Pm/(I SC *U OC )]。 三、实验原理 1、太阳能电池工作原理: 太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管,在没有光照时其正向偏压 U 与通过电流I 的关系式为:(1)式中,o I 和β是常数。 )1e (I I U o -?=β (1) 由半导体理论,二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成,如图1所示。 C E 为半导体导电带,V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时,光子会被半导体吸收,产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图1 电子和空穴在电场的作用下产生光电流 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成,如图2所示。 图2 太阳能电池的理论模型电路图 图2中,ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流,d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得: 0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ (2) (2)式中,I 为太阳能电池的输出电流,U 为输出电压。由(1)式可得, d sh ph sh s I R U I )R R 1(I --=+ (3) 假定∞=sh R 和0R s =,太阳能电池可简化为图3所示电路。 图3 太阳能电池的简化电路图

太阳能电池基本特性测定试验

太阳能电池基本特性测定实验 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。 太阳能电池根据所用材料的不同,可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 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。在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,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的替代产品。 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%,工业规模生产的转换效率为10%。因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地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,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验,通过实验了解太阳能电池的电学性质和光学性质,并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验,联系科技开发实际,有一定的新颖性和实用价值。 【实验目的】 1. 无光照时,测量太阳能电池的伏安特性曲线; UI U I曲线图;并测量太阳能变化关系,画出2. 有光照时,测量电池在不同负载电阻下,对IUP FF;及填充因子电池的短路电流、开路电压、最大输出功率SCaxOCm IU L的关系,求出它们的近似函数关系。与光照度 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SCOC 【实验仪器】 白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关 连接导线若干 供参考. 】【实验原理 区,pn区流向结上,形成新的空穴-电子对,在p-n结电场的作用下,空穴由太阳光照在半导体

太阳能电池探究亮特性光照强度关系

扬州大学物理科学与技术学院 大学物理综合实验训练论文实验名称:太阳能电池探究亮特性光照强度关系 班级:物教1201班 姓名:郑清华 学号:120801117 指导老师:李俊来

太阳能电池探究亮特性光照强度关系 物教1201 郑清华指导老师:李俊来 摘要:本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/2 m时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词:太阳能电池;输出特性;光强特性。 一、研究背景 随着经济社会的不断发展,能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求,随着社会经济而急剧膨胀,专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤,并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况,全球化石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳,而地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳,也就是说,如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太阳能是最为清洁的能源,并且不受任何地域限制,随处可取。此外,将太阳能转换为电能后,电能又是应用范围最广,输送最方便的一种能源。 太阳能一般指太阳光的辐射能量。我们知道在太阳内部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应,反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的范畴。太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节,核心概念是pn结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间内不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本, 使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机,实现能源可持续发展的重要途径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品,其最高效率是24.7%,由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高转换效率十分困难,但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此,研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的。 二、太阳能光伏电池实验 (一)实验目的 1.了解pn结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构,理解其工作原理。

太阳能电池特性研究_实验报告参考

E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性,用实验测得的正向偏压时I ~ U关

系数据,画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下,|对U变化关系,画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA,相关系数0.9996,电流与电压的指数关系得到验证。

2 ?在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。

图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ,最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线

填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题

太阳能电池光伏特性研究

太阳能光伏电池特性实验研究 太阳能光伏电池的输出具有非线性,这种非线性受到外部环境(包括日照强度、温度等)以及本身技术指标(如输出阻抗)的影响,从而使得太阳能电池的输出功率发生变化,其实际转换效率受到一定限制。因此,对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了一个重要课题[1]。与跟踪式太阳能光伏系统相比,固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。太阳能光伏电池表面温度将随辐射能的增强而升高,在一定程度上影响了太阳能电板的输出功率。本文主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进行了实验研究。 1、理论分析 理想的太阳能电池可以看做是一个产生光生电流I ph 的恒流源与一个处于正向偏置的二极管并联,如图1所示。如果负载R L 短路了,电路只有光生电流I ph ,光强越强,电子-空穴对的产生率越高,光生电流I ph 越大,即短路电流I sc 为: sc ph I I =- (1) I I 图1 理想太阳能电池等效电路[2] 如果负载R L 不短路,那么P-N 结内流过的电流I d 方向与光生电流方向相反,会抵消部分光生电流,使少数载流子注入和扩散。太阳能电池输出的净电流I 是光生电流I ph 和二极管电流I d 之差,故太阳能电池的光伏I-V 特性可表示为: ph d ph exp 1O qV I I I I I nkT ?? ??=-=-- ?????? ? (2) 式中:I o ——反向饱和电流;n ——理想因子,由半导体材料和制造技术决定, n=1~2;V ——二极管电压;k ——波尔兹曼常数;q ——电子电量;T ——二极管绝对温度。 当电流I =0时,这意味着产生的光生电流I ph 正好等于光电压V oc 产生的二极管电流I d ,即I ph =I d 。从式(2)可得出V oc 为: ph 01OC I nkT V In q I ?? =+???? (3)

太阳能电池的基本特性与性能参数

1、太阳能电池的基本特性 太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下 1、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构,P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型;N和P,表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。 2、太阳电池的性能参数 太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。 3 太阳能电池的伏安特性 P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。 2、有关太阳电池的性能参数 1、开路电压 开路电压UOC:即将太阳能电池置于100 mW/cm2的光源照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值。 2、短路电流 短路电流ISC:就是将太阳能电池置于标准光源的照射下,在输出端短路时,流过太阳能电池两端的电流。 3、大输出功率

太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的,将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最

硅光电池特性的研究实验报告2

硅光电池基本特性的研究 太阳能是一种清洁能源、绿色能源,许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池,在日光的照射下,可将太阳辐射能直接转换为电能,具有性能稳定,光谱范围宽,频率特性好,转换效率高,能耐高温辐射等一系列优点,是应用极其广泛的一种光电传感器。因此,在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验,介绍硅光电池的电学性质和光学性质,并对两种性质进行测量,联系科技开发实际,有一定的新颖性和实用价值。 [实验目的] 1.测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线; 2.测量太阳能电池在光照时的输出特性,并求其的短路电流I SC、开路电压 U OC、最大FF 3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系,求出它们的近似函数关系; [实验原理] 1、硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用,硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元,深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。 零偏反偏正偏 图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区,当P型和N型半导体材料结合时,由于P型材料空穴多电子少,而N型材料电子多空穴少,结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散,N型材料中的电子向P型材料这边扩散,扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷,N型区带正电荷,形成一个势垒,由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行,当两者达到平衡时,在PN结两侧形成一个耗尽区,耗尽区的特点是无自由载流子,呈现高阻抗。当PN 结反偏时,外加电场与内电场方向一致,耗尽区在外电场作用下变宽,使势垒加强;当PN结正偏时,外加电场与内电场方向相反,耗尽区在外电场作用下变窄,

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验 目对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。太阳能是一种新能源, 一是利利用太阳能发电目前有两种方法,前,太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究二是太阳能电池。用热能产生蒸气驱动发电机发电,为此,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。是21 世纪的热门课题,介绍太阳能电池的电学性质我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验,联系科并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验,和光学性质,技开发实际,有一定的新颖性和实用价值,能激发学生的学习兴趣。 】实验目的【无光照时,测量太阳能电池的伏安特性曲线1. IPU FF、开路电压及填充因子、最大输出功率2. 测量太阳能电池的短路电流SCaxmOC IJJU的关系,求出它与相对光强3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SC0OC们的近似函数关系。【实验仪器】 光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱

】【实验原理, 在没有光照时太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收的光子的能量转化为电能。UI的关系为可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流qU???? 1?I?Ie nKT (1) ??0??In qK,1。是二极管的反向饱和电流,是玻尔兹曼常量是理想二极管参数,理论值为其中0q T为热力学温度。(可令)为电子的电荷量,??nKT EEE?由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为的半导体所构成。CVC E当入射光子能量大于能隙时,光子被半导体所吸为半导体价电带。为半导体导电带,V空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势,这一电子-收,并产生电子-空穴对。 现象称为光伏效应。 光电流示意图 IPU, 和外太阳能电池的基本技术参数除短路电流和开路电压还有最大输出功率 SCaxOCm P IUFFFF。最大输出功率也就是定义为的最大值。填充因子填充因子axm P?FF max (2) UI OCSC FFFF,说明太阳能电池对光的利用值越大是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。率越高。 】【实验内容及步骤U?I特性(直流偏压从1.在没有光源(全黑)的条件下,测量太阳能电池正向偏压时的V00?3.))设计测量电路图,并连接。(1 1 图q I UI?I?U的值。和曲线并求出常数关系数据,利用测得的正向偏压时(2)画出??0nKT 注意此时光源到太阳能电池距在不加偏压时,用白色光照射,测量太阳能电池一些特性。2.cm20

太阳能电池伏安特性曲线实验报告概要

太阳能光伏发电应用技术 实验项目:太阳能电池伏安特性曲线 专业年级: 2014级电子科学与技术 学生姓名: 学号: 146711000 指导老师: 成绩: 福建农林大学金山学院信息与机电工程系 2017年 6月 18日

一、实验目的 (1) 二、实验要求 (1) 三、实验仪器设备 (1) 四、实验原理 (1) 1、太阳能电池工作原理 (2) 2、太阳能电池等效电路图 (2) 3、伏安特性曲线 (2) 五、实验内容与步骤 (4) 1、实验内容 (4) 2、实验步骤 (4) 最大输出功率与入射角的关系测试 (7) 六、实验分析与实验总结 (10)

一、实验目的 1、了解并掌握光伏发电系统的原理 2、了解并掌握光伏发电系统的组成,学习太阳能发电系统的装配 3、了解并掌握太阳能电池的工作原理及其应用 二、实验要求 1、熟悉光伏发电系统的功能。 2、测量太阳能电池板的不同距离下开路电压、短路电流、并算出填充因子及绘出功率曲线 三、实验仪器设备 1、太阳能电池板 2、光源 3、可调电阻 4、2台万用表 四、实验原理 太阳能电池结构图

1、太阳能电池工作原理 光照下,P-N结将产生光生伏特效应。当入射光能量大于导体材料的禁带宽度时,光子在表面一定深度的范围内被吸收,并在结区及其附近的空间激发电子空穴对。此时,空间电荷区内的光生电子和空穴分离,P-N结附近扩散长度范围内的光生载流子扩散到空间电荷区。P区的电子在电场作用下漂移到N区,N区的空穴漂移到P区,产生光生电流。光生载流子的漂移并堆积形成与结电场方向相反的电场及正向结电流。当光生电流和正向结电流相等时,P-N结建立稳定的电势差,即光生电压。 2、太阳能电池等效电路图 为了进一步分析太阳能电池的特点,可以使用一个等效电路来表现太阳能电池的工作情况,等效电路图如图所示。电路由一个理想恒流源IL,一个串联电阻Rs,一个并联电阻Rsn,以及理想因子分别为1和2的两个二极管D1和D2组成。 太阳能电池等效电路图 3、伏安特性曲线 根据伏安特性曲线的数据,可以计算出太阳能电池性能的重要参数,包括开路电压、短路电流、最大输出功率、最佳输出电压、最佳输出电流、填充因子、太阳能电池光电转换效率,串联电阻以及并联电阻。下面对这些参数进行具体的解释。

太阳能电池特性测量

太阳能电池特性实验仪 能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示,全球剩余煤炭只能维持约216年,石油只能维持45年,天然气只能维持61年,用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面,煤炭、石油等矿物能源的使用,产生大量的CO 2、SO 2等温室气体,造成全球变暖,冰川融化,海平面升高,暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生,给人类带来无穷的烦恼。根据计算,现在全球每年排放的CO 2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主,CO 2的排放量占世界的15%,仅次于美国,所以减少排放CO 2、SO 2广义地说,太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动,周而复始地循环,几十亿年内不会枯竭,因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。 在地球大气圈外,太阳辐射的功率密度为1.353kW /m 等温室气体,已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 2 ,称为太阳常数。到达地球表面时,部分太阳光被大气层吸收,光辐射的强度降低。在地球海平面上,正午垂直入射时,太阳辐射 的功率密度约为1kW /m 2 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气,再驱动汽轮机发电,太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能,光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 ,通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大,从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大,用之不竭,而且是不会产生环境污染的绿色能源,所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 与传统发电方式相比,太阳能发电目前成本较高,所以通常用于远离传统电源的偏远地区,2002年,国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”,通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大,太阳能发电的成本下降很快,而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争,太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同,太阳能电池可分为硅太阳能电池,化合物太阳能电池,聚合物太阳能电池,有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 本实验研究单晶硅,多晶硅,非晶硅3种太阳能电池的特性。 实验内容 1. 太阳能电池的暗伏安特性测量 2. 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 3. 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系 4. 太阳能电池的输出特性测量

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P max 以及相应的负载电阻R max 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E g ,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I D ,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: )()(D S U I ΦI I -= (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I D 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I D (U )迅速增加。

(整理)太阳能电池各电性能参数-草稿.

太阳能电池各电性能参数的本质及工艺意义 ?武宇涛 ? 电性能参数主要有:V oc,Isc,Rs,Rsh,FF,Eff,Irev1,… 电性能参数在生产过程中尤其是在实时的生产控制现场,非常及时地反映了整个生产线生产工艺尤其是后道工序的动态变化情况,为我们对产线的控制及生产设备工艺参数的实时调节起到了非常重要的参考作用。 从可控性难易角度来说,V oc,Rs,Rsh,主要和原材料及生产工艺的本身特征相关,与工艺现场的调控波动性关系不是特别紧密,可称之为长程可控参数。而Isc,FF, Irev1与工艺现场的调控联系紧密,对各调控参数比较敏感,可称之为短程可控参数。 当然我们最关心的是效率Eff。而Eff则是以上所有参数的综合表现。 太阳能电池的理论基础建立在以下几个经典公式之上: Voc=(KT/q)×ln(Isc/Io+1) Voc=(KT/q)×ln(N aNd/ni2) 1 2 FF=Pm/(Voc×Isc)=Vm×Im/ (Voc×Isc) 3 4

Eff=Pm/(APin)=FF×Voc×Isc/APin=FF×Voc×Jsc/Pin 5 图-1太阳能电池的I-V曲线 图-2太阳能电池等效电路 从上面5式我们可以看到,与效率直接相关的电性能参数主要有:FF,Voc, Isc。在生产中我们还比较关心暗电流情况:Irev1,由1式可以看出,它与Voc有比较紧密地联系(实际也是这样的)。 为了更好地说明各参数间的联系,这里先录用几组数据如下:

表-1 线别Uoc Isc FF Rs Rsh EFF Irev>6>16%Isc>8.2Voc>620FF>78 P156(71)0.6188.2177.20.00381816.11%0.17%78.73%56.2%33.1% 1.3% P156(62)0.6168.2176.60.00413315.92%0.53%56.06%55.2%18.1%0.4% E-CELL(LY)0.6277.2978.10.00312914.68% 1.23%40.03%20.3%69.8%65.8% 以上P156均系LDK片源。 1,Voc 由于光生电子-空穴对在内建场的作用下分别被收集到耗尽层的两端,从而形成电势。所以我们认为Voc是内建电场即PN 结扫集电流的能力的直观表现。 由上面公式1所反映,Voc主要与电池片的参杂浓度(Nd)相关。对于宽△Eg的电池材料,相对会有比较高的Voc;但△Eg过高,又会导致光吸收效率的迅速下降(主要是长波段响应降低),使Isc是降低,所以需要找到一个最佳掺杂深度值。另一方面,高参杂又会引入更多的复合中心,使复合电流增加,同样也降低了Voc。所以在没有引起复合电流增加或者其增量比较小的前提下,参杂浓度的提高对Voc总是有益的。 在上表所示的三种成品电池片中,P156的片子与E-CELL 片子Voc有着显著的不同,这显然是由于冶金级硅的杂质浓度过大导致的。而对于62栅线和71栅线的电池片,由于其总体参杂浓度并没有显著的改变,所以其开压并没有显著差别。从上表还可以看出,E-CELL电池的Isc已经比比另两者有显著降低,我们可以认为对于P156的正常多晶硅电池片其Voc在620mv左右达

太阳能电池特性(精)

如何设计锂离子电池充电器,以从太阳能电池板获得最大电力 作者:Jinrong Qian,德州仪器(TI) 应用工程设计经理和Nigel Smith,TI 系统工程师摘要 太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力,也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。近期,我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。 不过,太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境,如光照强度、时间、地点等因素。电池通常用作能量存储设备,如果太阳能电池板能提供更多电力,就可给电池充电;如果太阳能电池板提供的电力不足,那么反过来电池就给系统供电。我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢?首先,我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性,然后,我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题,从而尽可能地利用太阳能电池。 太阳能电池的I-V 特性 基本上,太阳能电池包括一个p-n 接点,光能(光子)在此使得电子和空穴重新组合,从而产生电流。由于p-n接点的特性类似于二极管,因此我们通常将图1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。 此处插入图1 图1 :太阳能电池的简化电路模型 电流源IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时,几乎所有生成的电流都流经二极管D,其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说,VOC 值都在0.5V~0.6V

之间,这也是p-n 接点二极管的正常正向电压范围。 并行电阻(RP) 表示实际电池发生的较小漏电流,而Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加,太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说,这对输出电压仅产生很小的影响。 图2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的I-V 特性不同而略有变化,且串联电阻(RS) 也会造成较小的压降,但输出电压基本保持为常量。不过,在某一时刻,通过内部二极管的电流会非常小,导致偏置不足,这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后,当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时,输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC),它与VOC 都是决定电池工作性能的主要参数,因此,我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时,输出电压会下降,最后降为零,这时负载电流为短路电流。 此处插入图2 图2 :典型的太阳能电池I-V 特性 在大多数应用中,理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积,因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值,即所谓的最大功率点(MPP)。在一种极端情况下,输出电压为最大值(VOC),但输出电流为零;在另一种极端情况下,输出电流为最大值(ISC),但输出电压为零。在上述两种情况下,输出电压与电流的乘积均为零,因此,MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明(或通过实验观察到),不管在何种应用,MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处(见图3)。实践中的问题在于,太阳能电池MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化,因此,为了尽可能利用太阳能,系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。

太阳能电池探究亮特性光照强度关系

大学物理科学与技术学院 大学物理综合实验训练论文实验名称:太阳能电池探究亮特性光照强度关系 班级:物教1201班 :清华 学号:120801117 指导老师:俊来

太阳能电池探究亮特性光照强度关系 物教1201 清华指导老师:俊来 摘要:本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/2m时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词:太阳能电池;输出特性;光强特性。 一、研究背景 随着经济社会的不断发展,能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求,随着社会经济而急剧膨胀,专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤,并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况,全球化石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳,而地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳,也就是说,如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太阳能是最为清洁的能源,并且不受任何地域限制,随处可取。此外,将太阳能转换为电能后,电能又是应用围最广,输送最方便的一种能源。 太阳能一般指太的辐射能量。我们知道在太阳部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应,反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释放到宇

宙空间的所有能量都属于太阳能的畴。太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节,核心概念是pn结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本,使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机,实现能源可持续发展的重要途径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品,其最高效率是24.7%,由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高转换效率十分困难,但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此,研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的。 二、太阳能光伏电池实验 (一)实验目的 1.了解pn结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构,理解其工作原理。 3.掌握pn结的I-V特性(整流特性)及其对温度的依赖关系。 4.掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法,理解波长因素对太阳能电池输出特性的影响。 5.通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据,进一步熟悉实验数据分析与处理的方法,分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。 (二)实验原理

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验 太阳能电池就是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,就是一个半导体光电二极管,当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池就是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性与灵活性三大优点、太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染。 太阳能电池根据所用材料的不同,可分为:硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类,其中硅太阳能电池就是目前发展最成熟的,在应用中居主导地位。 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与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。在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用与工业生产中仍占据主导地位,但由于单晶硅成本价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜与非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。 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%,工业规模生产的转换效率为10%。因此,多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地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,转换效率较高,便于大规模生产,有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应,稳定性不高,直接影响了它的实际应用。 太阳能的利用与太阳能电池的特性研究就是21 世纪的热门课题,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验,通过实验了解太阳能电池的电学性质与光学性质,并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验,联系科技开发实际,有一定的新颖性与实用价值。 【实验目的】 1、 无光照时,测量太阳能电池的伏安特性曲线; 2、 有光照时,测量电池在不同负载电阻下,I 对U 变化关系,画出U I -曲线图;并测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率m ax P 及填充因子FF ; 3、 测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 与光照度L 的关系,求出它们的近似函数关系。 【实验仪器】 白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关 连接导线若干 【实验原理】 太阳光照在半导体p-n 结上,形成新的空穴-电子对,在p-n 结电场的作用下,空穴由n 区流向p 区,电子由p 区流向n 区,接通电路后就形成电流。这就就是光伏效应太阳能电池的工作原理。 在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压U 与通过的电流I 的关系为 ? ?? ? ??-=10nKT qU e I I (1) 其中0I 就是二极管的反向饱与电流,n 就是理想二极管参数,理论值为1。K 就是玻尔兹曼常量,q 为电子的电荷量,T 为热力学温度。(可令nKT q =β )

太阳能电池的基本特性研究

太阳能电池的基本特性研究 贺超1,2,3 (1,孙越崎学院.2,2014-2班.3,学号:01140085) 摘要:人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力,能源问题已经成为越来越值得关注的社会与环境问题。太阳能电池是一种将太阳或其他光源的光能直接转化为电能的器件,目前太阳能电池已被应用于许多民用领域。本文主要介绍太阳能电池的基本特性以及基本原理,并设计实验来测量太阳能的开路电压、短路电流以及它们与入射光强度的关系,同时来太阳能电池的输出伏安特性曲线。在此基础上预测太阳能电池的发展趋势。 关键字:太阳能电池输出伏安特性曲线开路电压短路电流 A Study on the basic characteristics of solar cells HE Chao1,2,3 (1,SUN Yueqi Honors College.2,Class 2014-2.3.SID:01140085) Abstract:Human beings are faced with the dual pressures of limited conventional energy and environmental damage. Energy issues has become more and more attention to the social and environmental issues. Solar cell is a device that can directly convert sunlight or other light source into electrical energy, and solar cell has been used in many civil fields. This paper mainly introduces the basic characteristics and basic principles of solar cells, and the design of the experimental measurement of the solar energy, the open circuit voltage, short circuit current and the relationship between them and the incident light intensity, while the output voltage of solar cells.On this basis,we will predict the development trend of solar cells. (一)太阳能电池的简介 太阳能电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多,常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表,自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能,这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。太阳能电池类型(按材料分)包括:硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极性电池、纳米经化学太阳能电池。硅系太阳能电池可分为以下几类: 1.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为17%左右,最高的达到24%,这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的,但制作成本很大,以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用,大部分厂商一般都是提供25年的质量保证。 单晶柔性太阳能组件:可弯曲太阳能组件也称柔性组件,所谓柔性,是指该电池板可折弯。折弯角度可达30度。单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。太阳能电池组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能

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