1、梧州学院学生实验报告专业班级： 学号： 姓名： 成绩： 实验课程：光电专业实验 实验名称：太阳能电池基本特性测量实验组号： 同组成员： 实验地点：光电检测实验室 实验时间： 指导教师：盖双旗 实验目的：1、了解太阳能电池在无光照时，正向偏压条件下的伏安特性。 2、了解太阳能电池在不同光照时，其短路电流、开路电压、最大输出功率、填充因子、转换效率等参数。实验仪器：DH6521测试仪、DH8502光功率计、QVF133卤钨灯、750mm导轨、光具座2只、遮光盖、电池架、光电传感器、单晶太阳能电池板、多晶太阳能电池板、非晶太阳能电池板、ZX21电阻箱、扁叉头51红黑线各1根、51红黑线各2根、双头5
2、1线1根。一、实验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)(1)式中，为通过二极管的电流，和是常数，为反向饱和电流。由，当U较大时，即。由半导体理论，二极管主要是由能隙为ECEV的半导体构成，如图1所示。EC为半导体电带，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。图1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RSh与一个电阻RS所组成，如图2所示。图2图2中，IPh为太阳能电池在
3、光照时该等效电源输出电流，Id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： （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， （3）假定RSh=和RS=0，太阳能电池可简化为图3所示电路。图3这里，。在短路时，U0，；而在开路时，I0，；（4）（4）式即为在RSh=和RS=0的情况下，太阳能电池的开路电压UOC和短路电流ISC的关系式。其中UOC为开路电压，ISC为短路电流，而、是常数。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图4实线所示。负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开时
4、测得的最大电压UOC称为开路电压。太阳能电池的输出功率P为输出电压U与输出电流I的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-U曲线如图4点划线所示。图4 太阳能电池的Isc-U和P-U曲线输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。填充因子FF定义为： （5）填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.600.85之间。图5 不同光照Pin下的I-U曲线理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增
5、加时只略微增加，如图5所示。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24.7%，规模生产时的效率可达到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可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电
6、池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，将是太阳能电池的主要发展方向之一。太阳能电池转换效率定义为，在标准测试条件下（AM=1.5，E=1000W/m2，t=25）：（其中S为太阳能电池的面积） （6）图6 实验仪器示意图二、实验内容与数据处理1、全暗条件下，太阳能电池的外加电压伏安特性在全暗的情况下（关闭光源，用遮光罩罩住太阳能电池板），测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池上的压降U，测量电路如图6所示，注意不要正负极性接错（V为电压表，选择20V档；A为电流表，选择2mA档；50欧姆电阻用于限流，调节电阻箱得到；电源为可调稳
7、压源）。正向偏压从03.0V条件下，测量结果，并根据测量结果画出I-U伏安特性曲线和 Ln(I)-U特性特性曲线。图6暗环境伏安特性测试电路（1） 单晶硅U(V)00.511.522.22.42.62.83I(uA)Ln（I）U小，此部分不算 单晶硅-暗环境伏安特性I-U曲线 单晶硅 Ln(I)-U特性特性曲线依据公式，计算可得：。（2） 多晶硅U(V)00.511.522.22.42.62.83I(uA)Ln（I）U小，此部分不算 多晶硅-暗环境伏安特性I-U曲线 多晶硅 Ln(I)-U特性特性曲线依据公式，计算可得：。（3） 非晶硅U(V)00.511.522.22.42.62.83I(u
8、A)Ln（I）U小，此部分不算 非晶硅-暗环境伏安特性I-U曲线 非晶硅 Ln(I)-U特性特性曲线依据公式，计算可得：。问题：根据以上实验结果，你能得到是么实验结论？2、测量不同光照强度下太阳能电池的开路输出电压UOC和短路电流ISC首先标定光强分布：将光功率计探头（光电二极管板）放置在样品架上，用专用连接线连接探头板与光功率计；开启光源，移动光源滑块，改变光源到光电二极管板的距离,同时读取光功率计读数值。光强标定数据表（L为电池板距离光源距离，P为测量的光功率）L(cm)10152025303540455055P(mW)然后取下光电二极管板，换上待测太阳能电池板，分别按图7的左、右图进行接
9、线开展实验；将光源移动到光强标定表中的位置，分别记录开路电压UOC和短路电流ISC，并画出Uoc-P关系曲线图和Isc-P关系曲线图。 图7 太阳能电池板开路电压测试（图左）和短路电流测试（图右）（1） 单晶硅UOC和ISC数据L(cm)10152025303540455055P(mW)UOC(V)ISC(mA) 单晶硅 Uoc-P曲线图 单晶硅 Isc-P曲线图（2） 多晶硅UOC和ISC数据L(cm)10152025303540455055P(mW)UOC(V)ISC(mA) 多晶硅 Uoc-P曲线图 多晶硅 Isc-P曲线图（3） 非晶硅UOC和ISC数据L(cm)10152025303
10、540455055P(mW)UOC(V)ISC(mA) 非晶硅 Uoc-P曲线图 非晶硅 Isc-P曲线图问题：根据以上实验结果，你能得到是么实验结论？3.光照下太阳能电池的输出特性测量实验保持光源到电池板之间距离为20cm左右（避免光源照射电池板使温升较大影响测试），按图8所示的电路开展太阳能电池的输出特性测量。用便携式太阳能功率计测出电池板处的辐照度E，分别记录输出电流、输出电压、输出功率值，并画出I-U关系图和P-U关系图。图8 太阳能电池输出特性测量电路（1）单晶硅输出特性数据（光源到电池板距离L= cm，辐照度E= W/m2）R()I(mA)U(V)P=I*U(mW)R()I(mA)
11、U(V)P=I*U(mW)999919989999979998969997959996949995939994929993919992999919899979976995599349923991299 一定光照下太阳能电池输出电流I与电压U的关系图 一定光照下输出功率P与电压U的关系图精确测量:在负载R= 时，最大输出功率Pmax= mW。单晶硅电池填充因子FF为：此条件下的单晶硅电池转换效率为：（已知太阳能电池面积：6060mm2，有效面积5045mm2）（2）多晶硅输出特性数据（光源到电池板距离L= cm，辐照度E= W/m2）R()I(mA)U(V)P=I*U(mW)R()I(mA)U(
12、V)P=I*U(mW)999919989999979998969997959996949995939994929993919992999919899979976995599349923991299 一定光照下太阳能电池输出电流I与电压U的关系图 一定光照下输出功率P与电压U的关系图精确测量：在负载R= 时，最大输出功率Pmax= mW。多晶硅电池填充因子FF为：此条件下的多晶硅电池转换效率为：（已知太阳能电池面积：6060mm2，有效面积5045mm2）（3）非晶硅输出特性数据（光源到电池板距离L= cm，辐照度E= W/m2）R()I(mA)U(V)P=I*U(mW)R()I(mA)U(V)
13、P=I*U(mW)999919989999979998969997959996949995939994929993919992999919899979976995599349923991299 一定光照下太阳能电池输出电流I与电压U的关系图 一定光照下输出功率P与电压U的关系图精确测量：在负载R= 时，最大输出功率Pmax= mW。非晶硅电池填充因子FF为：此条件下的非晶硅电池转换效率为：问题：根据以上实验结果，你能得到什么实验结论？以上测试条件是国家规定的太阳能电池标准测试条件吗？3、 实验思考1、如果光不是垂直照射到太阳能电池上，会出现什么情况？简要设计一个实验，测量太阳能电池在倾斜状况下的转换效率。要求简要列出实验表格、记录实验数据、计算实验结果和总结实验结论。10
