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1、本科生实验论文太阳能电池特性研究论文作者：郭海生专 业：物理学年 级：大二学 号：1408405070指导老师：吴茂成完成日期：2015年12月15日摘要：本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池的暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性作了初步的分析和研究.关键词：太阳能电池特性、单晶、多晶、非晶、暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性、填充因子、转换效率引言：太阳能是人类最早认识并加以利 用的能源之一。20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。太阳能资源具有数量巨大、时间长久、普照大地、清洁安全 的
2、优点，具有很大的开发潜能。同时太阳能有分散性、间断性和不稳定性、效率低和成本高的缺点，制约着太阳能的普及使用，这需要科研设计来克服。通过研究三种太阳能电池的光电特性，了解各自的优缺点，为太阳能电池发展搞清方向。正文1.太阳能电池的分类太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。美国的Bell实验室于1954年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价又过于昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电池所起的作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重要元件，这也促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能电池的效率有了很大提
3、高，新南威尔士大学的科研人员MartinA.Green领导的研究小组，已经使单晶硅太阳电池转换效率高达24.7。太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法，根据太阳能电池技术的成熟程度来划分，可以分成以下几个阶段：第1代太阳能电池，主要是晶体硅太阳能电池；第2代太阳能电池，主要是各种薄膜太阳能电池；第3代太阳能电池，主要是各种新概念太阳能电池。根据太阳能电池使用的基本材料来划分，可以分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几种。根据太阳能电池的结构来划分，可以将太阳能电池分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两大类。本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池、
4、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池的暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性作了初步的分析和研究.2.发展太阳能意义随着技术的改善、产品生产规模的扩大和成本的降低，对太阳能的兴趣将进一步增加。太阳能经济的目标就是实现与电网的同价，即未经补贴的太阳能成本等同或低于传统电网的成本。管理咨询公司麦肯锡公司的一项分析预测说，到2020年，至少有10个光照强烈的地区将实现电网同价。但是这些地区几乎可以肯定是在意大利、日本、西班牙和美国等发达国家的内部。对于发展中国家，即便实现了电网同价，仍然需要离网的解决方案，从而为偏远社区提供能源。尽管和大规模电网连接的太阳能系统的成本将随着太阳能板价格的下
5、降而下降，更小的离网系统不太可能出现类似的成本降低，这部分是由于电池的价格仍然很高。电池可能占一个离网太阳能系统成本的至多40%。而且替换电池还有额外的费用，因为电池的寿命不太可能和太阳能板一样长。电器的效率也对离网太阳能系统的供电成本有巨大的影响。例如，一位有把PV系统引入发展中国家的经验的德国工程师估计，如果一个村庄能分别安装节能灯和新型的冰箱和电脑，那么向村庄供应离网太阳能电力的成本可能从3.5万美元降低到仅8300美元3.太阳能电池的工作原理太阳能电池的制作材料多种多样，有硅.硒.砷化镓.硫化镉等，但目前在全球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池，因此本文中主要以硅材料太阳能电池为代表
6、来讨论太阳能电池的工作原理。晶体硅太阳能电池的结构如图2-1所示，晶体硅太阳能电池是用硅材料制成大面积pn结进行工作的，一般是以P型硅半导体材料作为基质材料，在P型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的n型层，然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在整个背面制作作为背面接触电极的金属膜。太阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反射损失。当太阳能电池表面的pn结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于硅材料的禁带宽度，则在n区、P区和结区中会因光子被吸收而产生电子空穴对，在结附近的n区中产生的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度
7、，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即P区与n区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空间电荷区。在耗尽层内的正负电荷间会形成一个方向由n区指向P区的内建电场。扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向P区，而扩散到结界面处的少数载流子电子会被内建电场拉向n区，结区内产生的电子一空穴对会被内建电场分别拉向n区和P区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子和空穴会积累在pn结附近，结果使P区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，在pn结上就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应，太阳能电池就是根据光伏效应工作的。 太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子-光子而每
8、个光子所携带的能量为Eph:Eph()=式中：h表示普朗克常数（6.626*10-34J.S）,c表示光速（3*108m/s）, 表示光子波长。在不同的光谱中光子所携带的能量不样，当光子所携带的能量若大于能隙，便可以由转换为电能，若光子所携带得能量小于能隙时，光子没有足够的能量来形成电子空穴对，不会产生任何的电流，因此并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能。电池的能隙由电池材料决定（对于晶体硅，约为1.1ev），一般太阳能电池的转换效率在20左右。4.实验过程1硅太阳能电池的暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。图6 伏安特性测量接线原理
9、图用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图6所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。记录到表1中。 将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。电压(V)表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量电流(mA)单晶硅多晶硅非晶硅-7.5-1.7-1-0.082-7-1.5-0.9-0.076-6-1.3-0.6-0.066-5-1-0
10、.4-0.055-4-0.8-0.2-0.044-3-0.6-0.142-0.033-2-0.4-0.075-0.022-1-0.2-0.033-0.01100000.300.0110.0030.60.10.0290.0060.90.20.0670.0091.20.30.10.0131.50.50.30.0161.80.80.80.022.11.72.10.0252.44.56.50.0352.610.815.90.0482.829.841.40.0692.950.967.30.087387.5107.80.113.10.1423.20.23.50.53.714.34.64.914.55.53
11、1648.6实验结论：加反向电压时，单晶硅电流大于多晶硅，大于非晶硅，而且电流非常小，说明加反向电压时阻碍非常大。加正向电压时，单晶硅一开始把多晶硅大，但很快被超过，而且值较大并且升得快，而非晶硅的电流值一直最小，而且到5V才明显增大。2开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热5分钟。打开遮光罩。将光功率探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离（每次增加5）的光强I,记录对应的光强值.然后将光功率探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态按图2A接线。按测量光强时的
12、距离值（光强已知）距离每增加5cm记录对应的开路电压值Uoc。再按图2B接线将太阳能电池输出线连接到电流表，按测量光强时的距离值（光强己知）距离每增加5cm记录对应的短路电流值Isc。将单晶硅太阳能电池换成多晶硅和非晶硅太阳能电池重复以上操作。将测得的光强I，三种太阳能电池的开路电压值Uoc、短路电流值Isc记录在表2中。根据测量数据分别作太阳能电池的开路电压、短路电流随光强变化的关系曲线。表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系距离（cm）101520253035404550光强I（W/m2）107254029218212792725848单晶硅开路电压Voc（V）2.982.8
13、52.752.672.612.552.52.452.4短路电流Isc（mA)132.157.131.720.214.110.58.16.65.4多晶硅开路电压Voc（V）2.932.782.672.582.52.432.372.322.27短路电流Isc（mA)91.640.323.615.210.98.26.55.24.3非晶硅开路电压Voc（V）3.383.253.163.083.022.972.922.882.85短路电流Isc（mA)17.27.64.22.61.81.310.80.7实验结论：（1）距离越大，光强越小 （2）光强越小，三种太阳能电池的开路电压与短路电流都变小 （3）光
14、强变小时，开路电压改变较平缓，而短路电流一开始下降趋势较大，然后趋势较小3.测量太阳能电池输出特性将单晶硅太阳能电池板安装到支架上，并将滑动支架固定在导轨上某一个位置（如20cm），一定光照强度下,以电阻箱作为太阳能电池负载。通过改变电阻箱的电阻值记录太阳能电池的输出电压U和电流I,并计算输出功率P=UI，将其记录在表3中。将单晶硅太阳能电池换成多晶硅和非晶硅太阳能电池重复以上操作并分别计算三种太阳能电池的填充因子和转换效率。表3 三种太阳能电池输出特性实验 D=20 光强I=292W/ S=2.5*10-3m Pin=IS=730mW注：入射到太阳能电池板上的光功率Pin=IS,I为光强，S
15、为太阳能电池板面积,S=2.5*10-3m。电压U(V)00.20.40.60.811.21.41.61.822.22.32.42.52.62.72.8单晶硅电流I(mA)32.131.731.631.431.130.930.830.730.630.429.928.32621.812.8电阻R（）061219253239465360687990112199功率P(mW)06.3412.6418.8424.8830.936.9642.9848.9654.7259.862.2659.852.3232多晶硅电流I(mA)23.122.92221.320.820.520.320.220.1202019
16、.518.314.56.4电阻R（）091828394960718192102115128169399功率P(mW)04.588.812.7816.6420.524.3628.2832.16364042.942.0934.816非晶硅电流I(mA)4.44.34.34.24.13.93.83.63.332.621.81.41.20.90.60.4电阻R（）048961461992593263994946147901090131916492149294942496649功率P(mW)00.861.722.523.283.94.565.045.285.45.24.44.143.3632.341.6
17、21.12。根据表3数据和图可以得出三种太阳能电池的最佳匹配负载分别为：单晶硅：79，多晶硅：116，非晶硅：7054填充因子FF定义为：FF=填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.75到0.8之间。转换效率s定义为：s=100% 图5不同光照条件下的U-I曲线Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。 理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图5所示。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联，为得到所需输出电压，通常将若干己并联的电池组串连，组
18、成电池板。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件时的串并连关系，本实验提供的组件是将若干单元并联。根据表3中数据计算三种太阳能电池的填充因子：表4 三种太阳能电池的填充因子三种太阳能电池的填充因子光强强度：W/m2单晶硅多晶硅非晶硅开路电压Voc（V）2.752.673.16短路电流Isc(mA）31.723.64.2Isc*Voc81.17563.01213.272Pmax62.8643.105.45填充因子72.1%68.4%41.1%计算转换效率：表5 三种太阳能电池的转换效率表三种太阳能电池的转换效率光强强度：29.2mW/CM2单晶硅多晶硅非晶硅输出最大功率62.843.15.45入射光功率730730730转换功率8.61%5.90%0.75%注意事项：1在预热光源的时候，需用遮光罩罩住太阳能电池，以降低太阳能电池的温度，减小实验误差；2光源工作及关闭后的约1小时期间，灯罩表面的温度都很高，请不要触摸； 3可变负载只能适用于本实验，否则可能烧坏可变负载； 4220V电源需可靠接地参考文献：1、硅太阳能电池特性的实验研究（王志军、李守春、王连元、张金宝）2、阳光下的现代化未来 陈琬君
