大学物理实验--太阳能电池伏安特性的测量

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1、实验报告太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1.太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，英结构示意图如图1所示.晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作.一般采用m/p同质结的结构，即在约10cmXlOcm面积的p型硅片（厚度约500pm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度〜0.3urn）的经过重掺杂的n型层.然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极.在幣个背而也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极.这样就形成了晶体硅太阳电

2、池.为了减少光的反射损失，--般在整个表而上再覆盖一层减反射膜.图一太阳电池结构示意图2.光伏效应上时便金产住电—®@PV«一图二太阳电池发电原理示童图当光照射在距太阳电池表而很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度&,则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对.那些在结附近n区屮产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散.只耍少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总冇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，存在一空间电荷区，也称为耗尽区.在耗尽区中，正负电荷间形成一

3、电场，电场方向Itln区指向p区，这个电场称为内建电场.这些扩散到结界血处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区.同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区.结区内产生的电子-空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区.如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势.这一现象称为光伏效应（PhotovoltaicEffec【，缩写为PV）.1.太阳电池的表征参

4、数太阳电池的工作原理是基于光伏效应.当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流心.同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流/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/为八―[exp(制-1](1)式中VD为结电压，10为二极管的反向饱和电流,Iph为与入射光的强度成止比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的.n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2之间.q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度.如果忽略太阳电池的串联电阻Rs,

5、VD即为太阳电池的端电压V,则（1）式可写为(2)(3)当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD~0）,由（2）式可得到短路电流即A阳电池的短路电流等丁•光生电流，与入射光的强度成正比.当太阳电池的输出端开路时，1=0,由（2）和（3）式可得到开路电压当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏-安特性曲线如图2所示.负载R可以从零到无穷大.当负载Rm使太阳电池的功率输出为般大时，它对应的最大功率Pm为式屮Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压.将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF,则FF为太

6、阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈薛.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.太阳电池的转换效率n定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辎射能PinZ比，即X100%图三太阳电池的伏-安特性曲线2.太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs利相当丁pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路.Itl等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系

7、为(7)为了使太阳电池输出更人的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh・【实验数据记录、实验结果计算】♦实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下:60cm80cm80cm串联80cm并联电流电压功率电流电压功率电流电压功率电流电压功率10.53112.159.4109000.3062.718.810.70140.898.5621.49102.9153.30.4386.137.021.8760.7113.51.70132.5225.232.3996.2229.91.4777.211

8、3.43.3159.3196.32.67122.9328.143.2888.4289.92.4768.8169.94.7757.4273.83.76112.4422.654.2482.5349.82.9465.5192.66.3055.4349.04.73102.1482.964.7677.4368.43.5761.3218.87.7853.0412.35.4993.6513.975.3072.93