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.

物　理　实　验第24卷　第11期

　PHYSICSEXPERIMENTATION

Vol.24　No.11

　　Nov.,2004

太阳能电池基本特性测定实验

茅倾青,潘立栋,陈骏逸,陆申龙

(复旦大学物理系,上海200433)

　　摘　要:对传统的“太阳能电池伏安特性测量”实验进行改进,利用光功率测定仪和滤色片,定量分析在不同光强照射下以及在不同截止波长的光照射下,太阳能电池特性参量的变化规律,并测量了半导体材料的禁带宽度.

关键词:太阳能电池;开路电压;短路电流;填充因子;禁带宽度

中图分类号:O472.3　　　文献标识码:A　　　文章编号:100524642(2004)1120006203

1　引　言

I=IPh-Id=I-exp

nk-1](2)

太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究是21世纪的热门课题,许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究[1]..仪,,特性参量的变化规律;采用滤色片测定并分析不同截止波长的光对太阳能电池的特性参量的影响.在此基础上提出一测量半导体材料禁带宽度的方法,并测量、比较了不同半导体材料的禁带宽度.2　原　理

,即U=0,由(2)

ISC=IPh;当太阳能电池的输,即I=0,可推得开路电压UOC.正,IPh比I0高几个数量级,因此(2)式中的1可以忽略.

当太阳能电池接上负载电阻后,太阳能电池的输出电压和电流随着负载电阻的变化而变化,当负载电阻R=Rm时,太阳能电池的输出功率为最大,即最大功率,对应电压Um和电流Im,可知

(3)Pm=ImUm填充因子是表征太阳能电池质量好坏的一个

指标,将最大功率Pm和UOC与ISC之积的比值定义为填充因子FF,即

FF=

PUOCISC

(4)

太阳能电池的主要结构为PN结.理想PN结的电流和电压关系由下式[2]给出

Id=I0[exp

-1]nkT

(1)

式中,I0是无光照时的反向饱和电流,U是结上的电压,e是电子电荷,k是玻尔兹曼常量,T表示热力学温度.当光照射在太阳能电池表面的PN结上时,只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度,则光子将被太阳能电池吸收而产生电子2空穴对.以恒定速率产生的电子2空穴对提供了通过结的电流.太阳能电池输出的净电流

I是光生电流IPh和两极管电流Id之差,净电流I

能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以使太阳能电池产生光电流,光电流的大小为

IPh∝

∫N(λ)dλ

λc

λ0

(5)

)是光子数随波长分布的函数,λ式中,N(λc是滤

色片的截止波长,λ0是能产生光电流的最大波

)为一常量时,有长.当N(λ

(6)IPh∝λ0-λc

由下式给出

当在太阳能电池光照部分前安放不同截止波长的

滤色片,则它产生的光电流和截止波长存在一定关系,由此可得太阳能电池的半导体材料的禁带

　“第三届全国高等学校物理实验教学研讨会”论文　收稿日期:2004207202　作者简介:茅倾青(1983-),男,上海人,复旦大学物理系2001级本科生.　指导教师:陈骏逸(1963-),男,浙江鄞县人,复旦大学物理系讲师,理学学士,从事物理实验教学工作.

太阳能电池基本特性测定实验.

第11期　　　　　　　　　　　　　茅倾青

,等:太阳能电池基本特性测定实验7

宽度.3　实验方法

1)将太阳能电池放在暗箱中,按实验电路图

接线[图1(a)],测量在不受光照情况下,太阳能电池在正向偏压下的I2U特性.

2)将太阳能电池作为一电源连入电路[图1(b)],置于恒定光强照射下(本实验使用60W的白炽灯泡照明),按电路图接线,测量在不同负载电阻时流过太阳能电池的电流I和输出电压U,计算其在不同负载电阻下的输出功率P,由此确定最大输出功率Pm时的负载电阻Rm;从I2U图上得到U=0时的短路电流ISC和I=0时的开路电压UOC,计算填充因子

FF.

和截止波长λc的关系,外推至ISC=0时,得截止

)波长λ,即可由光子能量与波长关系(E=hc/λc′

得到制作太阳能电池的半导体材料的禁带宽度.测量不同半导体材料制作的太阳能电池的数据,比较不同半导体材料的禁带宽度.4　结果和讨论

在全暗情况下测量太阳能电池在正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的输出电压U,得到I2U图,如图2所示;在4V以下的区域可以满足(1)式.电压再大时,由于其它因素的影响[3],I和

U.

图2　全暗时太阳能电池I2U特性曲线

在不加偏压下,将太阳能电池置于恒定光强

照射下(暗箱中,保持60W白炽灯光源到太阳能电池距离为20cm).太阳能电池在不同负载电阻

R下,输出功率P和负载电阻R的关系以及流过

图1　全暗及光照时实验电路图

太阳能电池的电流I和输出电压U的关系如图3

和图4所示,由图可得负载电阻R=1.8kΩ时,太阳能电池的最大输出功率Pm=4.37mW,短路电流ISC=1.85mA,开路电压UOC=3.60V.算得填充因子FF=

65.6%.

3)取定J0作为“标准”的入射光照强度,通

过改变光源到太阳能电池的距离来改变照射到太阳能电池的光照强度J,得到ISC,UOC与相对光照强度J/J0的关系,找出ISC,UOC与J/J0的近似函数关系.

4)在光源出射口安放一块消除红外波长的

隔热玻璃,使只有短波长通过,以防止红外波长对实验的影响.然后在太阳能电池前安放不同截止波长的滤色片(该滤色片存在截止波长,小于此波长的光波不能通过),在光强为J0下测量光电流和截止波长的关系.然后改变J,测量几组不同光强下光电流和截止波长的关系.由光电流ISC

图3　P2R曲线

若入射光最大光强为J0,改变后光照强度为

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8　　　　　物理实验　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第24

卷

ν=hc/λ求得单晶硅材料的禁带宽度为由E=h

1.13eV(公认值为1.128eV).笔者又用相同的方法对由多晶硅(编号02)作为材料的太阳能电池进行了测量,求得此多晶硅截止波长λ≈02′1200nm,代入光子能量公式得多晶硅材料的禁带宽度为1.03eV.可见,单晶硅的禁带宽度要大于多晶硅的禁带宽度.由固体物理学的知识,一般而言多晶硅由于缺陷较多,其禁带宽度要小于单晶硅,实验数据很好地验证了这一点

.

图4　I2U图

J,测量不同相对光照强度J/J0下的ISC和UOC,

得到ISC和J/J0呈线性关系,如图5所示

;UOC和ln(J/J0)近似呈线性关系,如图6所示

.

λ图图7　单晶硅材料ISC2

5　结束语

图5　ISC2

图J0

太阳能电池特性的测量与其开发和利用有着密切的关系.本实验从物理角度测量太阳能电池的特性,有利于学生掌握基本的电磁学和光学知识及实验方法,以及这些基本方法在科学研究中的应用.在进行传统的基本参量测量的基础上,采用新的仪器和方法,拓展了实验内容,定量分析太阳能电池特性参量的变化规律.因此这是一个应用性比较强的设计性综合实验.参考文献:

[1]　唐丽华.太阳能制氢与燃料电池的可再生发电系统

图6　UOC2ln

图J0

[J].物理实验,2003,23(8):9～12.

[2]　杨述武,朱世国,马葭生,等.普通物理实验(四、综

合设计部分)[M].北京:高等教育出版社,2000.

在不同光强下,由单晶硅(编号01)作为材料

的太阳能电池的光电流和截止波长的关系如图7所示.由ISC=0时,可得截止波长λ≈1100nm,01′

[3]　方俊鑫,陆栋.固体物理学(下册)[M].上海:上海

科学技术出版社,1981.

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