太阳能电池特性研究的实验成果

【实验概述与思政要素】

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的，属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：一是1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项技术突破为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

太阳能电池（图4.15.1）近年也被人们用于生产、生活的许多领域。1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞成功，激起人们对太阳能飞机研究的热潮，太阳能飞机从此飞速地发展起来，只用了六七年时间太阳能飞机从飞行几分钟，航程几千米发展到飞越英吉利海峡。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度超过2万m，航程超过4000km。另外，太阳能汽车也发展很快。

图4.15.1　太阳能发电及其应用

用太阳能电池发电确实是一种诱人的方式，据专家测算，如果能把撒哈拉沙漠太阳辐射能的1%收集起来，足够全世界的所有能源消耗。

在生产和生活中，太阳能电池已在一些国家得到了广泛应用，在远离输电线路的地方，使用太阳能电池给电器供电是节约能源、降低成本的好办法。芬兰制成了一种用太阳能电池供电的彩色电视机，太阳能电池板就装在住家的房顶上，还配有蓄电池，保证电视机的连续供电，既节省了电能又安全可靠。日本则侧重把太阳能电池应用于汽车的自动换气装置、空调设备等民用工业。我国的一些电视差转台和公交车站站牌也已用太阳能电池为电源，投资少，使用方便，很受欢迎。

20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅太阳能电池目前发展最成熟，在应用中居主导地位。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3种。

太阳能发电是当前及今后，非常具有发展前景的新能源领域。目前市面上生产太阳能电池的原材料还是以晶硅等半导体材料为主。我们国家目前在光伏发电领域具有很大的优势。光伏领域的关键在于能量转化效率的提升，这里面有很大的发展空间，等待同学们积极去探索研究。

在本实验中，使用氙灯作为实验光源，通过测量太阳能电池的一些特征参数，如开路电压、短路电流等，估算出太阳能电池的转换效率、内阻等，使学生熟悉太阳能电池的工作原理和应用技术。

【实验目的】

①测量光功率密度随距离变化的关系。

②测量短路电流及开路电压随入射功率变化的关系。

③测量太阳能电池的伏安特性曲线，并分析太阳能电池的内阻与入射光功率的关系。

④学会计算太阳能电池的一些特性参数，如转换效率、填充因子等。

⑤了解太阳能电池的主要应用领域及制作工艺。

【实验原理】

（1）太阳能电池形成原理

太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。太阳能电池发电的原理主要是利用半导体的电学性质和光学性质。图4.15.2为纯净硅原子的结构示意图。

图4.15.2　纯净硅原子

图中，正电荷（+4）表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，晶体的特性就会发生改变。

1）P型半导体

当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成过程如图4.15.3所示。

图4.15.3　P型半导体

图中，正电荷（+4）表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的4个电子。而正电荷（+3）表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图4.15.3所示的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。

2）N型半导体

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有5个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。（+5）表示磷原子核，深色的为多余的电子，如图4.15.4所示。

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。如图4.15.5所示，达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

图4.15.4　N型半导体

图4.15.5　PN结

当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源，如图4.15.6所示。

图4.15.6　太阳能电池形成过程

由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜（图4.15.7），将反射损失减小到5%甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

（2）太阳能电池的特征参数

太阳能电池除了外型尺寸外，还有如下特征参数：

①开路电压UOC：光照下的PN结外电路开路时，P端对N端的电压。

②短路电流ISC：光照下的PN结外电路短路时，从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流。

③转换效率η：评估太阳能电池好坏的重要因素。

图4.15.7　太阳能电池结构

式中，UM为最佳工作电压，指太阳能电池输出功率最大时的电压；IM为最佳工作电流，指太阳能电池输出功率最大时的电流；P为入射到整个太阳能电池上的光功率。

④填充因子FF：评估太阳电池负载能力的重要因素。

【实验仪器】

太阳能电池实验主机、功率指示计、光具座、光源、太阳能电池板。

【实验内容】

（1）光功率密度随距离的变化关系

将光源固定在导轨的左端5cm处，功率计的接收探头位于导轨的右方，在测量之前先将探头挡住，避免其接受光的照射，并将功率调零之后才可开始测量。测量时，将探头的旋钮转至正中心，对准光源。并将探头每隔2cm向右移动一次，并逐个记录功率计的读数填入表4.15.1中。为了减少温度对功率计的影响，应从距离光源50cm以外处开始测量。在实验报告中绘出光功率密度J随距离L的变化曲线（J-L图）。将曲线进行延长就可用得到距离光源50cm以内的光功率密度。图4.15.8为光功率密度J随距离L的变化参考实验曲线。

表4.15.1　光功率密度J随距离L的变化关系测定(www.xing528.com)

光功率密度公式为

式中，P为入射光的功率；S为接收表面积。

图4.15.8　光功率密度J随距离L的变化曲线（J-L图）

（2）短路电流随入射功率的变换关系

将实验（1）中的功率计换成太阳能电池，用红黑线连接好太阳能电池和实验机箱，将实验主机的旋钮调至短路挡，测量短路电流随距离的变化关系，从与实验（1）中相同测量起点开始测量，同样是每隔2cm测量一次，就可以得到短路电流随距离的变化关系，再结合实验（1）中所得到的功率密度随距离的变化关系就可以得到短路电流随入射功率的变化关系，绘出短路电流随入射功率的变化曲线（Isc-P2图）。将测量数据填入表4.15.2。图4.15.9为参考实验曲线。太阳能电池板的尺寸是7.5cm×8cm。

表4.15.2　短路电流随入射功率的变换关系测量

图4.15.9　短路电流随入射功率的变化曲线（Isc-P2图）

（3）开路电压随入射功率的变换关系

将实验（1）中的功率计换成太阳能电池，用红黑线连接好太阳能电池和实验机箱，将实验主机旋钮调至开路挡，测量开路电压随距离的变化关系。将测量数据填入表4.15.3。从与实验（1）中相同测量起点开始测量，同样是每隔2cm测量一次，就可以到的开路电压随距离的变化关系，再结合实验（1）中所得到的功率密度随距离的变化关系就可以得到开路电压随入射功率的变化关系，绘出开路电压随入射功率的变化曲线（UOC-P2图）。图4.15.10为参考实验曲线。

表4.15.3　开路电压随入射功率的变换关系测定

图4.15.10　开路电压随入射功率的变化曲线（UOC-P2图）

（4）太阳能电池的伏安特性测定

连接好实验电路，将主机旋钮调至负载挡，将太阳能电池板固定在50cm外的某一位置，打开电源，调节负载旋钮，使电流调至最小值，从最小电流开始，每隔1mA记录一次电流表上的数据I及其相应的电压表上的数据U，直到电流调至最大为止。将测量数据填入表4.15.4。改变太阳能电池的位置，重复上述实验操作。绘制出伏安特性曲线（I-U图）。图4.15.11为伏安特性的测量原理图，图4.15.12为参考实验曲线。

表4.15.4　太阳能电池伏安特性的测定

续表

图4.15.11　伏安特性测量原理

图4.15.12　伏安特性曲线

【数据处理】

①完成表4.15.1—表4.15.4共4个表格内所有数据的测量，按实验内容的要求分别进行计算，作图并分析曲线变化规律。（作图请用作图纸）

②太阳能电池内阻的计算。

由实验（4）中的测量得到电压U1和电流I1的实验数据可以计算出相应的电阻值R和输出功率值P3

绘制出输出功率随电阻的变化曲线（P3-R图）。图4.15.13为参考实验曲线。在图中找出输出功率的最大值Pmax，再找出其对应的电阻值R0，R0和该太阳能电池的内阻相等。由此可以估算出该太阳能电池的内阻。

再根据实验（4）中所得到的另一组I2-U2的实验数据重复上述实验操作。比较两次测得内阻的变化情况，分析其原因。（内阻随入射光功率的减小而增大。）

图4.15.13　输出功率随电阻的变化曲线

③估算转换效率。

得到在太阳能电池在固定入射光强（距离光源距离L确定）的条件下的最大输出功率值Pmax，再由实验（2）得到在该确定距离L处的入射到整块太阳能电池上的光功率P2。整块太阳能电池的面积是S=7.5cm×8cm。由此可以估算出该太阳能电池的光电转换效率η为

④估算填充因子。

得到在太阳能电池在固定入射光强（距离光源距离L确定）的条件下的最大输出功率值Pmax，再根据实验（2）和实验（3）中所测量得到的实验数据可以得到在该确定距离L处的短路电流ISC和开路电压UOC的值，由此可以估算出该太阳能电池的填充因子FF

⑤分析实验误差来源。

【思考题】

1.太阳能电池的主要材料是____________，多空穴的半导体称为____________型半导体，带有多余电子的半导体称为____________型半导体。太阳能电池是通过____________效应直接把光能转化成电能的装置。

2.在太阳能电池特性实验中，测得距离光源55cm处的光功率密度J=9.75mW/cm2，则一块7.5cm×8cm的太阳能电池板在此处接收到的入射光功率为____________mW，在此处的最大输出功率为107.7mW，则此太阳能电池的转换效率为____________。

3.在太阳能电池的特性研究实验中，某同学首先测得入射光功率密度随距离变化关系如表4.15.5所示。

表4.15.5　入射光功率密度随距离变化关系表

随后使用尺寸为7.5cm×8cm的太阳能电池板，测量开路电压和短路电流随距离的变化关系，如表4.15.6所示。

表4.15.6　开路电压和短路电流随距离变化关系表

最后该将太阳能电池板放在距离光源65cm处，测量了电池板的输出功率P随负载R的变化数据，并画出了如图4.15.14所示的曲线图。试根据该同学测量的数据以及曲线图求出65cm距离处太阳能电池的内阻R，转换效率η以及填充因子FF。（需列出计算公式并写出计算过程。）

图4.15.14　输出功率随电阻的变化曲线