太阳能电池基本特性测定实验
太阳能电池基本特性测定实验 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。 太阳能电池根据所用材料的不同，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、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，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23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，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为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。 非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验，通过实验了解太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 【实验目的】 1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； 2. 有光照时，测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图；并测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子； 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压与光照度的关系，求出它们的近似函数关系。 【实验仪器】 白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关 连接导线若干 【实验原理】 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光伏效应太阳能电池的工作原理。 在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为 (1) 其中是二极管的反向饱和电流,是理想二极管参数,理论值为1。是玻尔兹曼常量,为电子的电荷量,为热力学温度。(可令) 由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为的半导体所构成。 为半导体导电带，为半导体价电带。 当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸收，并产生电子-空穴对。 电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。 图1 光伏效应示意图 太阳能电池的基本技术参数除短路电流和开路电压外, 还有最大输出功率和填充因子。最大输出功率也就是的最大值。填充因子定义为 (2) 是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。值越大,说明太阳能电池对光的利用率越高。 【实验内容及步骤】 1.在没有光源(全黑)的条件下，测量单晶硅太阳能电池正向偏压时的特性(直流偏压从) (1)连接电路图。 图2 特性测量电路 (2)利用测得的正向偏压时关系数据，画出曲线并求出常数和的值。 2.在不加偏压时，用白色光照射，测量多晶硅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 (1)连接电路图。 图3 恒定光源太阳能电池特性实验 (2)测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。 (3)求短路电流和开路电压。 (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 3.测量太阳能电池的光电效应与电光性质 改变太阳能电池到光源的距离，用光照度计测量该处的光照度，测量太阳能电池接受到不同光照度时，相应的和的值。 (1) 设计测量电路图，并连接。 (2) 测量太阳能电池接受到不同光照度时相应的和的值。 (3) 描绘和与光照度之间的关系曲线，求与光照度之间的近似关系函数。 (4) 描绘和与光照度之间的关系曲线，求与光照度之间的近似关系函数。 【数据记录及处理】 1．全暗情况下(太阳能电池板倒扣在黑橡胶桌面上)太阳能电池在外加偏压时伏安特性测量： 连接电路如图2，结果填入表1。 表1 太阳能电池正向偏压时的特性 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 用坐标纸画出太阳能电池正向偏压时的特性曲线，并求出常数和的值 2.在不加偏压时，把太阳能电池板倒扣在投影仪玻璃面上，紧贴投影仪玻璃面，测量不同负载时太阳能电池的输出电流与太阳能电池的输出电压的关系。并测量短路电流和开路电压,计算最大输出功率和填充因子。连接电路如图3，结果填入表2。 表2 不同负载时太阳能电池的输出电流与太阳能电池的输出电压的关系 R(Ω) 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 U(v) I(mA) R(Ω) 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 U(v) I(mA) = = = = 画出R-P曲线图，求出Pmax和对应的太阳能电池r. 3.测量多晶硅太阳能电池板和与光照度的关系。 表3 太阳能电池板的和与光照度的关系 = (lux) (照度计紧贴投影仪玻璃面) (lux) 0 5 10 15 20 25 30 35 (lux) (mA) (V) (mA) (lux) (V) (lux) 画出L-Isc曲线图及L-Uoc曲线图. 4. 把多晶硅太阳能电池板换成单晶硅太阳能电池板，重复3。 【实验报告要求】 1. 写明本实验的目的、意义。 2. 阐明本实验的基本原理。 3. 记下实验所用仪器和装置。 4. 记录实验的全过程，包括实验步骤，各种实验现象和数据处理等。 5. 对实验结果进行分析、研究和讨论。 6. 本实验的总结、收获、体会，也可提出自己新的设想。 7. 对教学工作的意见和建议。 【注意事项】 1. 连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。 2. 连接电路时，保持电源开关断开。 3. 打开白帜灯光源时间尽量要短，注意随时关掉。 【思考题】 1. 太阳能电池是由什么材料做成的？它的工作原理？ 2. 何谓短路电流 ？何谓开路电压 ？何谓填充因子？如何计算太阳能电池的填充因子？ 3. 如何求得太阳能电池的最大输出功率？最大输出功率与它的最佳匹配电阻有什么关系？ 4. 充填因子是代表太阳能电池性质优劣的一个重要参数，它与哪些物理量有关？ 5. 太阳能电池的光照特性，即开路电压 和短路电流 与入射于太阳能电池的光强符合什么函数关系？ 7
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