17太阳能电池伏安特性的测量

《17太阳能电池伏安特性的测量》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、实验17太阳能电池伏安特性的测量太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的半导体器件。它是太阳能发电系统的心脏。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无噪音、无污染等优点。太阳能电池已作为空间探索的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备，气象台站，航标灯的重要电源。目前，太阳电池已广泛用于收音机、计算机、交通信号等方面。在发达国家太阳能光伏发电已进入城市电网。太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要能源，在世界能源构成中占有一定的地位。实验目的1.了解太阳能电池的工作原理及基本结构。2.测量太阳能电池的伏安特性曲线。实验原理1.太阳能电池的结构图1硅

2、太阳能电池结构示意图硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR和2CR型。图1为2DR型结构示意图。它是以P型硅为衬底（厚约500μm），在其上面用扩散法制作一层厚约0.3μm的N型层，并将它作为受光面。在N型层上制作金属栅线，作为输出电极，目的是减小光电池的内阻。在整个背面制作金属膜背电极。在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透明膜，它既可以起到防潮，防尘等保护作用，又可以减小硅光电池表面对入射光的反射，增强对入射光的吸收。2CR型电池则是以N型硅为衬底制作的。图2载流子扩散形成内电场2.PN结的内建电场在P型（或N型）半导体衬底上，用扩散方法形成一层N型(或P型）层。在P区（空穴导电）和N区

3、（电子导电）交界处，由于两边电子和空穴浓度不同，P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。于是，在P区形成负电层，N区形成正电层，如图2所示。这两个带电层形成一个内电场，它反过来又阻挡上述扩散，直到扩散作用与阻挡作用达到一种动态平衡。一般所说PN结就是指这层阻挡层。如果在PN结两端外加正向电压（P区接正，N区接负），如图3（a）所示。则外加电(a)(b)图3正向偏置电压场与PN结内建电场方向相反，它将削弱内电场对载流子扩散运动的阻挡，使扩散继续进行。而且由电源补充扩散电荷，使二极管导通，形成稳定的电流。其电路符号如图3（b）。3.PN结的光电转换过程光照射在PN结上时，存在下列几种

4、情况：1）光被半导体表面反射而不能进入材料内部。例如洁净硅表面对0.4~1微米波长的光的反射系数约为30%。这对光电池是一个很大的损失。因此应采用合适的表面抗反射涂层来减少损失。2）进入半导体材料的光子能量若小于材料的禁带宽度，光线将透过该材料而不被吸收。因此选择适当的半导体材料和制作工艺，使太阳能电池有较好的光谱特性是十分重要的。常规的硅光电池光谱响应波长范围在0.4~1µm，峰值响应波长约为0.9µm.3)进入电池的光子能量大于半导体材料禁带宽度时，能在材料内产生电子一空穴对，但若没有一种机制将电子一空穴对分离开，电子与空穴又将很快复合而不能成为载流子。PN结的内建电场在分离电子

5、一空穴对的过程中起了关键的作用。电子与空穴如果在复合之前受到内电场作用，把P区产生的电子拉到N区，而把N区产生的空穴拉向P区。使N区获得附加的负电荷，P区获得了附加的正电荷。这样，在PN结上产生了一个光生电动势。这一现象称为光伏效应。4.光电池的等效电路在光照条件下，如果图4中的光电池的外回路断开(R→∞)，产生了数值等于开路电压VOC的最大光生电势。如果将光电池外负载短路（R=0），那么被结分开的电子和空穴不可能在结处积累，在光生电势的驱使下流经外回路，产生了数值等于短路电流Isc的最大的光生电流IP。光电池外按负载R这是正常使用情况。光生电流流经R产生一个电压降V=IR（图4）。

6、从而使P区电位高于N区，相当于图3（a）中的正向偏置电压。因此在PN结中有从P区流向N区的二极管导通电流ID。它的方向与光生电流方向相反。通过上面的分析，可以画出光电池的等效电路（图5）。太阳能电池相当于一个电流为图5光电池的等效电路IP的恒流源。它在工作时又相当于一个导通的二极管，存在导通电流ID。RSh是PN结的并联电阻。表示PN结存在泄漏电流。不过在现代工艺条件下。泄漏电流很小，可以认为RSh远大于RS和R而忽略不计。RS是太阳能电池电极等引起的串联电阻。在制作太阳能电池时，应尽量减小RS.5.硅光电池的伏安特性由光电池等效电路可以看出，流过负载的电流I=IP-ID。式中的ID

7、是因PN结二极管特性存在的导通电流。(1)IO为二极管反向饱和电流,V为PN结两端电压；e是电子电量；k是玻尔兹曼常数；T为热力学温度；n称为理想系数，是表示PN结特性的参数，其理论值为1，取值在1~2之间。于是，光电池输出电流(2)式中IP是光生电流；当太阳能电池输出端短路时，V=0，由式（2）可知短路电流ISC=IP(3)图6硅光电池的伏安特性曲线即太阳能电池的短路电流等于光生电流。当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由式（1）和式（3）可得开路电压(