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1、实验3.12太阳能电池特性研究太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。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。因此，在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍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，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测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功
2、率及填充因子FF。3测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。【实验仪器】光具座组件、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、硅光电池测试仪。【实验原理】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，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。硅电池最稳定，而且光谱特性宽，主要波段在可见光范围。太阳电池从根本上讲，其结构和二极管相同，为P-N结。在P-N结内部存在从P指向N的内建电场。当光射入太阳电池内部后，处于空间电荷区的空穴-电子对获得光
3、能而被激发，得到自由的空穴和电子，在内建电场的作用下，空穴被拉向P极，电子被拉向N极，这样在PN节上产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。太阳能电池的工作原理就是基于光伏效应。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：（3-76）式（3-76）中，Io和b是常数。由半导体理论，二极管主要由能隙为EC、EV的半导体构成，如图3-54所示。EC为半导体导电带，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。假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生
4、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3-55所示。 图3-54 图3-55图3-55中，Iph为太阳能电池在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：（3-77）式（3-77）中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由式（3-77）可得，（3-78）图3-56假定Rsh=和Rs=0，太阳能电池可简化为图3-56所示电路。这里，。在短路时，U=0，；而在开路时，I=0，； （3-79）式（3-79）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，
5、ISC为短路电流，而I0、b是常数。当太阳能电池接上负载时，负载R从零变到无穷大的过程中，使太阳能电池达到最大输出功率Pm=ImUm时，式中Im、Um分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将Pm=ImUm与ISC和UOC的乘积之比定义为填充因子FF，则（3-80）填充因子体现了太阳能电池的输出功率随负载的变动特性，是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强，材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。太阳能电池的转换效率为即（3-81）【实验内容与步骤】1在没有光源（全黑）的条件下，将太阳能电池连入硅光电池测量仪的暗箱线路，插上电源，将硅光电池测量仪上的
6、开关打到暗箱线路，调节旋钮可改变负载电阻的大小，测量太阳能电池正向偏压时的IU特性（直流偏压从03.0V）。（1）画出测量线路图。（2）利用测得的正向偏压时IU关系数据，画出IU曲线并求得常数b和I0的值。2在不加偏压时，用白色光源照射，将太阳能电池连入硅光电池测量仪的光照线路，同时将硅光电池测量仪上的开关打到光照线路，调节旋纽可改变负载电阻的大小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）画出测量线路图。（2）测量电池在不同负载电阻下，I对U的变化关系，画出IU曲线图。（3）求短路电流ISC和开路电压UOC。（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时的负载
7、电阻。（5）计算填充因子。3测量太阳能电池的光照效应与光电性质。在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源水平距离20cm的光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0；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J与位置x关系。测量太阳能电池接收到相对光强度J/J0不同值时，相应的ISC和UOC的值。（1）描绘ISC和相对光强度J/J0之间的关系曲线，求ISC和与相对光强J/J0之间近似关系函数。（2）描绘出UOC和相对光强度J/J0之间的关系曲线，求UOC与相对光强度J/J0之间近似函数关系。【实验数据记录及处理】1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时的伏安特性U1/VU2/VI/mA2在不加偏压时，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电流对太阳能电池的输出电压的关系。太阳能电池在光照时，测量输出功率与负载电阻的关系。3测量太阳能电池ISC和UOC与相对光强J/J0的关系。【注意事项】1连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。2避免太阳光照射太阳能电池。3连接电路时，保持电源开关断开。【思考题】1为使太阳能电池的输出功率更大，如何调节输出电阻的大小？2设计电路，利用两节干电池，一个电压表，一个电阻箱来测量太阳能电池在全黑的条件下的伏安特性曲线。3两个太阳能电池串联、并联，测量它们的伏安特性曲线，并求填充因子。
