太阳能电池特性实验

实验、太阳能电池特性研究太阳能的利用和太阳能电池特性研究是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，已大量用于民用领域：如太阳能汽车、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，太阳能电池能够吸收光的 能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。【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 )、最大输出功率P及填充因子FF，FF二P /(I U )。填充因子是代表太阳能OC m m SC OC 电池性能优劣的一个重要参数。3. 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流I和相对光强度J/J之间关系，画出I与相对光SC 0 SC强J/J之间的关系图；测量开路电压U 和相对光强度J/J之间的关系，画出U 与相对光强J/J0 OC 0 OC 0之间的关系图。【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：I = I (ePU -1)o(1) 式中， I 和 P 是常数。o由半导体理论，二极管主要是由能隙为E -E的半导体构成，如图1所示。E为半导体导电C V C带， 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V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理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、 个并联电阻R与一个电阻R所组成，如图2所示。sh sI迤土站肿Rl图2太阳能电池的理论模型电路图图 2 中， I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流， I 为光照时通过太阳能电池内部二极管 ph d的电流。由基尔霍夫定律得：IR + U - (I -1 -I)R 二 0(2)s ph d sh(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，1(1 +-Iph3)sh为图 3 所图3太阳能电池的简化电路图sh假定R 二g和R = 0，太阳能电池可简化 sh s示电路。这里，I = I 一 I = I 一 I (e卩u -1)。ph d ph 0在短路时，U = 0, I = I ；ph sc而在开路时，【=0， I 一 I (eBuoc-1) 0 ；sc 01IU= ln* +1(4)oc 卩 I0(4)式即为在R g和R 0的情况下，太阳能电池的开路电压u 和短路电流】 的关系式。ShSocSc其中U 为开路电压，I为短路电流，而I、0是常数。ocSc0【实验装置】光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1 只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、白炽灯光源1只（射灯结构，功率40W ）、光功率计（带3V直流稳压电源）、三基色滤色1白妲灯光糠；2.光功率计探头;盒喑盒（内装太阳能电池;4.光功率计数显畫口沾.光功率计時号輸入接口; 疗直流稳压电源V）輸出插座；7涓块心8光真座（导轨h 9.毫米刻度尺;他光学支架。E14 FB736型丸阳能特性实验仪实物照片及简要说明片、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。【实验内容】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Iu特性，用实验测得的正 向偏压时IU关系数据，画出IU曲线并求得常数0和I的值。02. 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，I对U变化关系，画出IU曲线图。（3）用外推法求短路电流I和开路电压U 。SC 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二P /（I U ）。m SC OC3. 测量太阳能电池的光照特性：在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计 测量该处的光照强度J ；改变太阳能电池到光源的距离x，用光功率计测量x处的光照强度J,求光强 0J与位置x的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度J/J不同值时，相应的I和U 的值。0 SC OC（1） 描绘I和相对光强度J/J之间的关系曲线，求I和与相对光强J/J之间近似关系函数。SC 0 SC 0（2） 描绘出U 和相对光强度J/J之间的关系曲线，求U 与相对光强度J/J之间近似函数关OC 0 OC 0 系。【实验数据表格】1. 在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流 I 和太阳能电池的输出电压 U 。测量电路如图 5 所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池和电阻箱两端的 电压，算出电流测量结果如表1 所示：I阻箱rife图壬全暗时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性测量表 1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录2. 不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20cm ,测量太阳能电池的输出I 对太阳能电池的输出电压U的关系，测量电路请自拟。把测量结果记录到表2。表 2 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录R(Q)UNI(mA)P(mW)R(Q)UNI(mA)P(mW)200440030046004004800600500080055001000600012006500140070001600750018008000200085002200900024001000026002000028003000030004000032005000034006000036007000038008000040009000042003. 测量太阳能电池I和U 与相对光强J/J的关系，用光强计先测定出距离光源为15cm时的光SC OC 0强值J，再测定不同光源距离时的光强值J。短路电流I可以直接用万用表的直流电流档量出，开路 0 SC电压U 则直接用万用表的直流电压档量出。把测量结果记录到表3中：OC表3太阳能电池ISC和UOC与相对光强J/J0的关系35FB736 型太阳能电池特性实验仪使用说明书一概述：能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等主要能源的大量消耗，能源危机已成为世人关注 的全球性问题。为了经济持续发展及环境保护，人们正大量开发其它能源如水能、风能及太阳能的利 用。其中以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。本仪器提供的实验，意在提高学 生对太阳能电池的特性的认识，学习研究太阳能电池的基本光电特性，学会电学与光学的一些重要实 验方法及数据处理方法。可用本仪器做下列实验： 1在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件（类似二极管），测量在正向偏压时该二极器件的伏 安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式。2 .测量太阳能电池的短路电流I 、开路电压U 、最大输出功率P及填充因子SC OC mFF FF 二 P /（I U ）。m SC OC3.测量太阳能电池的短路电流I 、开路电压U 与相对光强J/J的关系，求出它们的近似函数关SC OC 0系。本仪器可用于高校基础物理实验及设计性、研究性的物理实验，也可用于中学生物理奥林匹克竞 赛培训等使用 。二.仪器简介：本实验仪器主要由射灯形白炽灯光源（40W ）、光具座、带暗盒的太阳能电池、光功率计（带3V 直流稳压电源）、电阻箱1 只（自备）、数字式万用电表1 只、三基色滤色片3个、遮光罩 1 个、导线 若干等组成：1白炽灯光源；2.光功率计探头;3.喑盒（內装太阳能电池;4.光功率计数显窗口沾.光功率计時号輸入接口;6.直流稳压电源（3V）输出插座皿滑块；&光具座（导轨9.毫米刻度尺;地光学支架型盍阳能特性实验仪实物照片及简要说明图2放在有机玻璃遮光罩中的FB-36型尢阳能特性实验仪实物照片三技术指标：1.式导轨光具座1个：铝合金材料，表面电泳处理，标尺长50.0cm，分度值lmm。 2滑块支架2 个：铝合金材料，表面电泳处理。3. 光源：功率40W射灯形结构。4. 暗盒内装太阳能电池及正负引出线,遮光板 1 块（暗盒中使用）。5. 带探测器三位半数字式光功率计，量程为0200 W & 02mW二档。6. 三位半数字式万用表1 个7. 三基色滤色片红、绿、蓝共 3个8. 遮光罩 1 个，可在明室完成暗室实验操作9. 手电筒 1 个。10. 单刀双掷开关 1 个。