太阳能电池特性测量

4.13 太阳能电池特性测量

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。目前硅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、“绿色”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性和光电转换效率。

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，测量短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子。

3．测量太阳能电池的光照特性：短路电流、开路电压与相对光强度之间的关系

仪器用具

THQTN-1型太阳能电池特性测试仪（太阳能电池板、光功率计探头、直流电压表、直流电流表、直流稳压电源、负载电阻、入射光强指示、白炽灯、导轨等）

实验原理

一．太阳能电池板结构 以硅太阳能电池为例，结构示意如图（4.13-1）。硅太阳能电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成。在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减少光电池表面的反射损失，一般在表面覆盖一

层减反射膜。

二．太阳能电池的基本特性

用光照射到半导体PN 结上时，半导体PN 结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N 结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就是P-N 结的光生伏特效应。

1．无光照时，太阳能电池正向U I 特性

太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸

太阳光

电极 N P 型射膜

图4.13-1 太阳能电池板结构示意图

收光的能量。并将所吸收的光子的能量转换为电能。在没有光照时，可将太阳能电池视为一个二极管，其正向电压与通过的电流I 的关系为

0(1)U

I I e

β=- (4.13-1)

式中，o I 和β是常数。

2．太阳能电池的光照特性

由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC －EV 的半导体构成，如图4.13-2所示。EC 为半导体导电带，EV 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。

假设太阳能电池的理论模型是由一个理想电流源（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4.13-3所示。

图4.13-2 图4.13-3

图4.13-2中，ph I 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，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：

()0

s ph d sh IR U I I I R +---=

式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由此式可得，

(1)s ph d

sh

sh

R U I I I R R +

=-

-

假定sh R =∞,0s R =，太阳能电池可简化为图4.13-4所示电路。这里，)1(0--=-=U

ph d ph e

I I I I I β。在短路时，0U =，

ph sc

I I =；而在开路时，0I =,0(1)0oc

U sc I I e β--=，因此有

1ln[1]

sc O C I U I β

=

+ （4.13-2）

此式即为在sh R =∞和0s R =的情况下，太阳能电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。

图4.13-4

（1）太阳能电池负载U I -特性曲线

当太阳能电池接上负载R 时，所得到的负载U I -特性曲线如图（4.13-5）所示，负载R 可从零变化到无穷大。

V

I

P m

I m

V m

图4.13-5 太阳能电池的V I -特性曲线

（2）太阳能电池的填充因子FF

当负载为m R 时，太阳能电池的输出功率最大，它对应的最大功率为m P ：

m m m

P I U =? （4.13-3）

式中m I 和m U 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将开路电压oc U 与短路电流oc I 的乘积与最大输出功率m P 之比定义为填充因子FF ：

m m m oc sc

oc sc

P U I F F U I U I =

= （4.13-4）

填充因子FF 为太阳能电池的重要特性参数，FF 越大则输出功率越高。FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。

（3）太阳能电池的转换效率η

太阳能电池转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能in P 之比，即

100%

m in

P P η=

? （4.13-5）

仪器介绍：

太阳能电池特性测试实验仪主要由两部分组成：

1．太阳能电池实验仪部分有：太阳能电池板及锁紧螺钉，光功率计探头，白炽灯，导轨，底座，实验装置如图4.13-6所示。

图4.13-6

2．太阳能电池测试仪部分有：直流电压表，直流电流表，入射光强指示，直流稳压电源，负载电阻。测试仪面板如图4.13-7所示。

图4.13-7

实验内容：

一．测量太阳能电池无光照时的伏安特性

实验条件：用遮光罩挡光，使太阳能电池无光照。

太阳能电池正向电压测量范围：0～3.00V ，测量10个点，变化明显处测量间隔要小。 测量电路如图4.13-8所示。 由（4.13-1）式得

1

U

I e

I β=-，当U 较大时，1U e β>>，即0

l n l n I U I

β=+，对1

U e β>>的数据用最小二乘法处理，计算β、0I 及相关系数γ，说明太阳能电池无光照时的伏安特性。

二．不加偏压，用白炽灯照射时，测量太阳能电池特性

测量要求：4片太阳能电池串联，光源到太阳能电池距离35㎝。 测量电路如图4.13-9所示。

R

图4.13-8 图4.13-9

1．改变负载电阻R ，测量在不同负载电阻下太阳能电池的输出电压U 与电流I 之间的关系，画出U I -曲线。

测量要求：负载电阻R 的变化范围：200～90000Ω，测量40组，变化明显处测量间隔要小。

2．根据U I -曲线，用外推法求短路电流SC I 和开路电压OC U 。

3．计算负载电阻R 不同时的输出功率P I U =?，画出输出功率与负载电阻关系曲线，求出最佳工作电流m I 和最佳工作电压m U ，并计算最大输出功率m P 。

4．计算填充因子FF 。 5．计算转换效率η。

照射到太阳能电池的总辐射能in P =单位面积的入射光强J ×太阳能电池有效面积。 本实验所用太阳能电池单片有效面积为2060㎜2

三．测量太阳能电池SC I 和OC U 与相对光强0/J J 的关系（选做内容）。

注意事项

1．实验时，避免太阳光照射太阳能电池。

2．太阳能电池板接线时，应用手扶住太阳能电池盒，以免跌落。 3．连接电路时，保持电源开关断开。

思考题

1．填充因子可以描述太阳能电池哪方面的特性？ 2．转换效率可以描述太阳能电池哪方面的特性？