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太阳能电池探究亮特性光照强度关系


扬州大学物理科学与技术学院

大学物理综合实验训练论文

实验名称:太阳能电池探究亮特性光照强度关系

班级:物教 1201 班 姓名:郑清华 学号:120801117 指导老师:李俊来

太阳能电池探究亮特性光照强度关系
物教 1201 郑清华 指导老师:李俊来
摘要:本文介绍

了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶 硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为 3433.56—10617.33W/ m 2 时,开路电 压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的 增加先增加后减小,最大效率值 1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词:太阳能电池;输出特性;光强特性。

一 、研究背景
随着经济社会的不断发展,能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源 的需求, 随着社会经济而急剧膨胀,专家估计目前每年能源总消耗量为 200 亿吨 标准煤,并且其中 90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况,全球化 石能源储备只能维持 100 年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然 成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。 太阳每年通过大气向地球输送的能 量高达 3×1024 焦耳, 而地球上人类一年的能源总需求达到约 4.363×1020 焦耳, 也就是说, 如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太 阳能是最为清洁的能源,并且不受任何地域限制,随处可取。此外,将太阳能转 换为电能后,电能又是应用范围最广,输送最方便的一种能源。

太阳能一般指太阳光的辐射能量。 我们知道在太阳内部无时无刻不在进行着 氢转变为氦的热核反应, 反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释 放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的范畴。 太阳能电池是目前太阳能利用的 关键环节,核心概念是 pn 结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位 在今后很长一段时间内不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本, 使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最 具发展潜力的新能源。 光伏发电是解决能源危机,实现能源可持续发展的重要途 径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品,其最高效率是 24.7%,由新南威 尔士大学马丁·格林教授研制的 PERL 单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高 转换效率十分困难,但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此,研究温度 和光强对太阳能电池的影响是必要的。

二、太阳能光伏电池实验
(一)实验目的
1.了解 pn 结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构,理解其工作原理。

3.掌握 pn 结的 I-V 特性(整流特性)及其对温度的依赖关系。 4.掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法,理解波长因素对太阳能电 池输出特性的影响。 5.通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据,进一步熟悉实验数据分析与处理 的方法,分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。

(二)实验原理
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。只要被光照到,瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏 (Photovoltaic,photo 光线,voltaics 电力,缩写为 PV),简称光伏。以光 电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流, 而以光化学效应工作的湿式太阳能电 池则还处于萌芽阶段。 1.pn 结与光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料。从宏观电学性质上说,它们的导电能力介 于导体和绝缘体之间,随外界环境(如温度、光照等)发生剧烈的变化。从材 料能带结构说,这类材料具有导带 Ec、价带 Ev 和禁带 Eg。温度、光照等因素 可以使价带垫子跃迁到导带, 改变材料的电学性质。半导体材料进行有必要的 掺杂处理,调整它们的电学特性,以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗 更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的贺信结构通常是 pn 结,简单地 说,pn 结就是 p 型半导体和 n 型半导体接触形成的基础区域。太阳能电池, 本质上就是 pn 结。

图 1 pn 结形成 上图为刚接触时,下图为达到平衡情况

n 型半导体是在 4 价硅中掺入 5 价杂志, 杂技原子与相邻原子组成共价键后, 尚多余一个电子,故电子为多数载流子,5 价原子称为施主杂质。杂志原子差不

多都是电离的,施主杂技电离后因失去一个电子二成为正离子。P 型半导体是在 4 价硅中掺入 3 价杂质,杂技原子与相邻原子组成共价键,尚缺少一个电子,故 空穴为多数载流子,3 价原子称为受主杂质。杂志原子差不多都是电离的,受主 杂技电离后因得到一个电子而成为负离子。 根据半导体基本理论,处于热平衡态的 pn 结由 P 区、n 区和两者交界区域 构成,如图 1 所示。刚接触时,电子由费米能级低的地方流动,空穴则相反。为 了维持统一的费米能级,n 区电子向 P 区扩散,P 区内空穴向 n 区扩散。载流子 的定向运动导致原来的电中性条件被破坏,p 区累计带负电且不可移动的电离受 主,n 区积累带正电且不可移动的电离施主。载流子扩散运动导致在界面附近区 域形成由 n 区指向 p 区的内建电场和相应的空间电荷区。显然,两者费米能级的 不统一是导致电子空穴扩散的原因, 电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建 电场。 而内建电场的强度取决于空间电荷区的强度,内见电场具有组织扩散运动 进一步发生的作用。当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相 等,p 区和 n 区两端产生一个高度为的势垒(如图 2(a)),(是 n 区高出 p 区的 电位,即电位梯度,是能量梯度,称为势垒)。理想 pn 结模型如下,处于热平衡 的 pn 结空间电荷区没有载流子,也没有载流子的产生与复合作用。 当有入射光垂直入射到 pn 结,只要 pn 结结深比较浅,入射光子会透过 pn 结区域甚至能深入半导体内部。如果入射光子能量满足关系 hvEg(Eg 为半导体材 料的禁带宽度),那么这些光子会被材料吸收,在 pn 结中产生电子空穴对。光照 条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。 光生载流子 在 p 区空穴和 n 区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的,可以忽略不计。 但是对少数载流子将昌盛显著影响,如 p 区电子和 n 区空穴。在均匀半导体中光 照射下也会产生电子空穴对,但它们很快就又会通过各种复合机制复合。态 pn 结中情况有所不同, 主要原因是存在内建电场。在内建电场的驱动下 p 区光生少 子电子向 n 区运动,n 区光生少子空穴向 p 区运动。这种作用有两方面的体现: 第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流,这就是光生电流,它由电 子电流和空穴电流组成, 方向都是有 n 区指向 p 区, 与内建电场方向一致; 第二, 光生少子的定向运动与扩散运动方向相反,减弱了扩散运动的强度,pn 结势垒 高度降低,甚至会完全消失(如图 2(b))。宏观的效果实在 pn 结两端产生电 动势, 也就是光生电动势。 光生伏特小勇即是指半导体在受到光照时在向光面和 背光面之间产生电动势的现象。 如果构成回路就会产生电流,这种电流叫做光生 电流。

从结构上说,常见的太阳能电池是一种浅结深、大面积的 pn 结(如图 3)。 太阳能电池之所以能够完成光电转换过程,核心物理效应是光生伏特效应。光照 会使得 pn 结势垒高度降低甚至消失, 这个作用完全等价于在 pn 结两端施加正向 电压。在这种情况下的 pn 结就是一个光电池。将多个太阳能电池通过一定的方 式进行串并联,并封装好就形成了能防风雨的太阳能电池组件(如图 4,图中 EVA 是 ethylene vinyl acetate copolymer 的缩写, 中文是乙烯——醋酸乙烯共聚物, PVF 是 polu vinyl fluoride 的缩写,中文是聚氟乙烯)。

2.太阳能电池光照时的电流电压关系——亮特性 太阳能电池的亮特性是指太阳能电池在光照的条件下输出伏安特性。 硅太阳

能电池的性能参数主要有:开路电压 Voc、短路电流 Isc、最大输出功率 Pm、转换 效率η 和填充因子 FF。 光生少子在内建电场驱动下的定向运动在 pn 结内部产生了 n 区指向 p 区的 光生电流 IL,光生电动势等价于加载在 pn 结上的正向电压 V,它使得 pn 结势垒 高度降至 q(VD-V)。理想情况下太阳能电池负载等效电路如下图,把光照下的 pn 结看作一个理想的二极管和恒流源并联。恒流源的电流即为光生电流 IL,IF 为通过二极管的结电流,RL 为外加负载。可见,太阳能电池就相当于一个电源。 该等效电路的物理意义是:太阳能电池光照后产生一定的光电流 IL,其中一部分 用来抵消结电流 IF,另一部分供给负载的电流 I。有等效电路图可知:

I ? IL ? IF ? I

? ? eV L ? S ? exp? ? ? k 0T ?

I

? ? ??1? ? ? ?

(4)

光生电流在光电池内部总是由 N 区向 P 区反向流动,因此太阳能电池的电 流总是反向的。 根据上面的等效电路图, 有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须 考虑的。其一是负载电阻 RL=0,这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零, pn 结处于短路状态,此时光电池输出电流我们称之为短路电流 Isc:

Isc ? IL

(5)

其二是负载电阻 RL→∞,外电路处于开路状态。流过负载的电流为零,根据等效 电路图,光电流正好被正向结电流抵消,光电池两端电压 Voc 就是所谓的开路电 压。显然有

I ?I
得到开路电压 Voc 为:

? L ? S exp? ? ?

I

eVoc ? ? koT ? ?

(6)

VOC

?

k 0T ln IL e IS

(7)

开路电压 Voc 和短路电流 Isc 是光电池的两个重要参数, 实验中这两个参数分 别为稳定光照下太阳能电池 I-V 特性曲线与电压、电流轴的截距。不难理解,随 着光照强度 E 增大,太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大,但是随光强 变化的规律不同:根据半导体物理基本理论,短路电流 Isc 正比于入射光强度, 开路电压 Voc 随着入射光强度对数增大。此外,从太阳能电池的工作原理考虑, 开路电压 Voc 不会随着入射光强度增大而无限增大,它的最大值是使得 pn 结势 垒高度为零时的电压值。换句话说,太阳能电池的最大光生电压为 pn 结的势垒 对应的电势差 VD,是一个材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下,开路 电压值 Voc 与 Eg/q 相当。 太阳能电池从本质上说是一个能量转换器件,它把光能转换为电能。因此讨 论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理,我们知道任何的能量转 换过程都存在效率问题,实际发生的能量转换效率不可能是 100%。就太阳能电 池而言, 我们需要知道的是, 转换效率与哪些因素有关以及如何提高太阳能电池 的 转换效率。 太阳能电池的转换效率 η 定义为最大输出功率 Pm 和入射光的总功 率 Pin 的比值:

其中,Im、Vm 为最大功率点对应的工作电流、工作电压,Ee 为由光探头测得的 光强度(单位:W/m2),S 为太阳能电池片受光照射的面积(有效光照面积)。

Pm Im Vm ?? ?100 % ? ?100 % Pin EeS

(8)

图 5 为太阳能电池的输出伏安特性曲线,其中 Im、Vm 在 I-V 关系中构成一 个矩形,叫做最大功率矩形。曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电 压。最大功率矩形取值点 Pm 的物理含义是太阳能电池最大输出功率点,数学上 是 I-V 曲线上横、 纵坐标乘积的最大值点。 短路电流和开路电压也形成一个矩形, 面积为 IscVoc。定义:

Im Vm FF ? IscVoc

为填充因子, 图形中它是两个矩形面积的比值。填充因子反应了太阳能电池么实 现功率的度量,通常德填充因子在 0.5~0.8 之间。 太阳能电池的转换效率是它的最重要的参数。太阳能电池本质上是一个 pn 结, 因而具有一个确定的禁带宽度。只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能 激发光生载流子并继而发生光电转化。 因此入射到太阳能电池的太阳光只有光子 能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。 太阳能电池效率损失的原因主要 有:电池表明反射、电子和空穴在光敏感层之外由于重组而造成的损失,以及光 敏层的厚度不够等因素。 综合来看,单晶硅太阳能电池的最大量子效率的理论值 大约是 40%。 实际上, 大规模生产的太阳能电池的效率还达不到理论极限的一半, 只有百分之十几。

(三)实验设备
本仪器定位于探究性实验系统,除可以测量配套的样件以外,实验者还可以 利用本系统测量其自制电池片组件。系统主要包括:氙灯电源、光源、测试、配 套软件、USB 通信线、电池片组和滤光片组。 一起组成:测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和 显示由计算机软件来完成。整机图片(图 8)和仪器构成示意图(图 9)如下:

1.光路部分 本设备光路简洁,由氙灯光源、凸透镜、滤光片构成。 2.测试主机 (1)面板介绍:(见下图 10) 紧急停机按钮:直接按下为关,顺时针旋转自动归位 关机按钮:正常关机按钮 开机按钮:正常开机按钮 PC 接口:与计算机通信的 USB 接口 光源同信接口:与氙灯电源通信,接收氙灯光源的状态信息(暂未使用) 故障指示灯:红色闪烁表示有故障,绿色表示工作正常 工作状态指示灯: 红色闪烁表示腔内温度调整中,绿色表示未进行温度调整 电源指示灯:红色闪烁表示关机中,红色表示工作正常。 (2)电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。 温控电路用于太阳能电池 片所在的控温室的温度控制,在一定范围内,可使控温室达到指定温度。测试电 路用于太阳能电池片各性能的数据,该电路将测得的数据传送给计算机,由计算 机进行数据的处理和显示。 (3)控温室 给太阳能电池片提供一个-10℃~40 摄氏度的恒温测试环境。

3.氙灯电源与氙灯光源 (1)氙灯电源:氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内除湿。面 板介绍:(见下图 11) 紧急停机按钮:直接按下为关,顺时针选转自动归位 关机按钮 开机按钮 光源通信接口:与测试主机通信,传送氙灯光源的状态信息(暂未使用) 光强选择档位:从 1 档到 6 档光强逐渐增大 故障指示灯:红色闪烁表示有故障,绿色表示仪器工作正常、 工作状态指示灯: 红色闪烁表示腔内温度调整中, 绿色表示未进行温度调整。 电源指示灯:红色闪烁表示关机中,红色表示正常工作。

(2)氙灯光源 采用高压氙灯光源,高压氙灯具有太阳光相近的光谱分布特征。光源功率 750W,出射光孔径为 50nm;氙灯启动过程中有 3 分钟的腔体除湿,防止因空气 湿度过大氙灯不能正常启动。 启动过程中, 光强档位必须放置在第 6 档才能启动, 若光强档位选择不是第 6 档, 会出现短促的报警声,此时只需把光强档位调整到 第六档即可正常启动。实验时氙灯点亮后约 30 分钟稳定后再使用。 4.滤光片组 滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能电池的光谱响应特性。滤光片共 8 种,中心波长分别为 395nm、490nm、570nm、660nm、710nm、770nm、900nm、 1035nm。 5.太阳能电池片组 (1)太阳能电池片组包括单晶硅、多晶硅和非晶硅,均采用普通商用硅太 阳能电池片。本实验室在用的各组件的有效受光面积有 30mm×30mm 和 28mm ×25mm 两种。 (2)在光照特性实验中,光强探测器用于测定入射光强度,已通过标准光 功率计进行标准;在光谱特性实验中,光强探测器的光谱曲线是已知的。本实验 室在用的光强探测器的有效受光面积有 5.7mm×5.7mm 和 2.5mm×3.0mm 两种。

(四)实验内容与步骤
1.内容: 温度控制在 25℃, 测量不同光强档位下太阳能电池片的 I-V、 P-V 输出特性; 研究开路电压、短路电流、填充因子和转换效率随光强如何变化。 2.实验步骤:(1)氙灯光源置于 1 档位,测量单晶硅电池片在全光谱照射下的 I-V、P-V 输出特性,记录开路电压、短路电流和最大输出功率,计算填充因子。

(2) 依次调节档位 2~6 档, 重复以上步骤。 绘制单晶硅在不同光强下的 I-V、 P-V 曲线,试说明随着光强的变化,其输出特性如何变化?为什么? 根据各光强 Ee 下得到的单晶硅电池片的开路电压 Voc、短路电流 Isc、最 大输出功率 Pm、转换效率η 和填充因子 FF。绘制 Voc-Ee、Isc-Ee、Pm-Ee、η -Ee、FF-Ee 关系曲线。试说明这些参数与光强之间的关系。

(五)注意事项
1.氙灯光源 (1)机箱内有高压,非专业人员请勿打开,否则易造成触电危险。 (2)机箱表面温度较高 ,请勿触摸,避免烫伤。 (3)请勿遮挡机箱上下进出风口,否则可能造成仪器损坏。 (4)氙灯工作时,请勿直视氙灯,避免伤害眼睛。 (5)眼睛向机箱内丢杂物。 (6)为保证使用安全,三芯电源线需可靠接地。 (7)仪器在不用时请与外电网相连的插头拔下。 2.氙灯电源 (1)为保证使用安全,三芯电源线需可靠接地。 (2)仪器在不用时请与外电网相连的插头拔下。 (3)氙灯启动时氙灯光强选择旋钮必须放到第 6 档,否则可能无法电亮氙 灯。 (4)关机时,按下关机按钮 15 秒内氙灯未熄灭,说明仪器出现故障,应按 下紧急开关按钮。 3.测试主机 (1)风扇在高速旋转时,严禁向内丢弃杂物。 (2)实验时请关闭顶盖,关闭顶盖是应注意安全,不要夹到手指。 (3)为保证使用安全,三芯电源线需可靠接地。 (4)请勿遮挡机箱风扇进出风口,否则可能造成仪器损坏。 (5)一起在不用时请将与外电网相连的插头拔下。 (6)温控开启后,若发现制冷腔散热器风扇未转应按下紧急开关按钮,待 修。 4.实验配件 (1)太阳能电池板组件为易损部件,应避免挤压的跌落。 (2)光学镜头要注意防尘,注意不要刮伤表面。使用完毕后,应包装好置 于镜头盒内。滤光片在强光下连续工作应小于 30 分钟,否则将损坏滤光片。

(六)实验结果及数据处理
1.不同档位的开路电压、短路电流和最大输出功率。

2.计算得不同档位的填充因子和转换效率

3.绘制单晶硅在不同光强下的 I-V、P-V 曲线

4 绘制 Voc-Ee、Isc-Ee、Pm-Ee、η-Ee、FF-Ee 关系曲线。

(七)实验结论
当光强为 3433.56—10617.33W/时,随着光照强度 E 增大,太阳能电池的短 路电流增大,短路电流 Isc 正比于入射光强度。短路电流等于光生电流。光强 =nhv,n 为光子数,如果入射光子能量大于等于半导体的禁带宽度,那么这些光 子就会被材料吸收,在 PN 结产生电子空穴对。尽管光生载流子对多数载流子影 响很小,但是对少数载流子产生显著影响。主要体现就是光生少子,在内建电场 驱动下定向产生电流,即光生电流,并且定向运动与扩散运动相反,减弱了扩散 运动的强度,PN 结势垒高度降低,而光子数的增加也会加剧这种影响,进而使 得光生电流增大,即短路电流也增大。 随着光照强度 E 增大,开路电压 Voc 随着入射光强度对数增大。此外,从太 阳能电池的工作原理考虑,开路电压 Voc 不会随着入射光强度增大而无限增大, 它的最大值是使得 pn 结势垒高度为零时的电压值。换句话说,太阳能电池的最 大光生电压为 pn 结的势垒对应的电势差 VD,是一个材料带隙、掺杂水平等有关 的值。实际情况下,开路电压值 Voc 与 Eg/q 相当。 最大输出功率随光强增大而增大。由于光强变化的速度快与 Pm,效率随着 光强的增加先增加后减小,最大效率值 1、21%。 填充因子随着光强的增加减小。

三、小结
本次实验测量同一温度下, 单晶硅电池片在全光谱照射下的 I-V、P-V 输出特 性,研究开路电压、短路电流、填充因子和转换效率随光强如何变化。通过本次 实验了解到了太阳能电池目前的发展现状、太阳能电池的基本工作原理,增强了 数据收集与处理的能力,也锻炼了撰写论文的能力。

四、致谢

感谢李俊来老师在实验过程及论文编写方面的悉心指导。

五、参考文献
[1]吴国盛 太阳能电池的温度和光强特性研究 [2]太阳能光伏电池实验(实验指导及操作说明书)


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