大学物理实验--太阳能电池伏安特性的测量

实验报告太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1．太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）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．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．图一太阳电池结构示意图2．光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区．同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（PhotovoltaicEffect,缩写为PV）．3．太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph．同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I为（1）式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2之间．q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度．如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为（2）当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I=0，由（2）和（3）式可得到开路电压（3）当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏–安特性曲线如图2所示．负载R可以从零到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为（4）式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则（5）FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．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．太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即（6）图三太阳电池的伏–安特性曲线4．太阳电池的等效电路图四太阳电池的等效电路图太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为（7）为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．【实验数据记录、实验结果计算】◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：60cm80cm80cm串联80cm并联电流电压功率电流电压功率电流电压功率电流电压功率10.53112.159.4109000.3062.718.810.70140.898.5621.49102.9153.30.4386.137.021.8760.7113.51.70132.5225.232.3996.2229.91.4777.2113.43.3159.3196.32.67122.9328.143.2888.4289.92.4768.8169.94.7757.4273.83.76112.4422.654.2482.5349.82.9465.5192.66.3055.4349.04.73102.1482.964.7677.4368.43.5761.3218.87.7853.0412.35.4993.6513.975.3072.9386.44.1257.8238.19.3650.3470.85.9788.8530.185.5970.6394.74.7753.2253.810.846.2499.06.2285.0528.795.8567.5394.95.2450.026211.9543.7522.26.5181.8532.5106.2763.9400.75.5148.2265.612.5742.1529.26.8779.1543.4116.5961.5405.35.6946.7265.713.1641.1540.97.1876.9552.1126.7860.2408.25.9045.2266.713.7040.0548.07.3574.9550.5136.9658.9410.06.0643.7264.814.2038.9552.47.4473.6547.6147.1157.7410.26.4941.1266.715.0037.1556.57.5072.3542.2157.2656.5410.26.9038.0262.215.4335.9553.97.5970.7536.6167.3755.3407.67.5532.8248.215.8334.3543.07.9265.3517.2177.7652.3405.87.9128.8227.816.0433.4535.78.1160.6491.5188.1250.1406.88.1723.7193.616.4331.3514.38.3154.4452.1198.4844.6378.28.3818.0150.816.729.1486.08.4350.0421.5208.6839.5342.98.5612.8109.616.8527.0455.08.5645.2386.9表11.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线2.各个条件下，光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化218.8334.8307.38.737.9068.9717.0125.2428.78.7039.9347.1229.0625.5231.08.990017.3222.7393.28.7934.9306.8239.2715.4142.817.5220.1352.28.8930.3269.4249.408.579.917.6817.3305.99.0222.3201.1259.680017.7616.1285.99.1514.7134.52618.69009.228.376.53279.3600282930【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：1.光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界）；2.研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；3.研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界），光照强度越大，电池的电阻越大。4.研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流），电池的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联的原因）；光照强度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越小（从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从而决定了短路电流和电动势的大小）。◆各个条件下输出功率P随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论1.虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成功的，因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。2.研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串联还是并联）都会提高电池总输出功率；光照强度越大，输出功率也越大，光照强度越小，输出功率也越小。3.研究达到最大功率时的电压𝐔𝐦，从图中可以看出：光照强度越大，𝐔𝐦也就越大，光照强度越小，𝐔𝐦相对偏小；电池并联对𝐔𝐦的改变不大，而电池串联会明显加大𝐔𝐦（个人认为这跟电池电阻在总电路中的比重有关）。◆各个量的统计𝐈𝐬𝐜/mA𝐔𝐨𝐜/V𝐏𝐦/mW𝐈𝐦/mA𝐔𝐦/v𝐑𝐦/欧FF60cm112.19.68410.257.77.11123.20.37880cm86.18.99266.745.25.90130.50.34580cm串联62.718.69556.537.115.0404.30.47580cm并联140.89.36552.176.97.1893.40.419说明：1.由于本组成员在做实验时的疏忽，并未直接测量各个条件下的短路电流，在这里以测量电压最小时的电流作为短路电流；2.由于这里的短路电流是测量电压最小时的电流，所以由函数特性可知，真正的短路电流比这里的𝐈𝐬𝐜要大，由此使得最终的FF值比理论值偏大；分析：1.从测得的FF数据可以看出，太阳能电池的填充因子并不大，这也使得太阳能电池的实际转换效率比较低，所以提高FF是太阳能电池研发的一个重要方向；2.从𝐑𝐦的比较可以看出，光照越强，则𝐑𝐦偏小，但应该有一个下界，串联使得𝐑𝐦大大增大，而并联使得𝐑𝐦有所减小；3.关于𝐏𝐦和𝐔𝐦的比较已在前面做出了分析。【附页】1.可以看出，我在实验原理的这一部分基本copy了网上的预习资料，此部分实际上并非自己的东西（对于其他同学也不是），于是我特意将实验原理的部分的字体缩小，以减小实验的篇幅，并将重点放在了原理后面的各个部分。2.《大学物理实验》在本实验部分里并未设置思考题（其他的实验都设置了），我觉得一个实验如果仅仅是做了而不去深入思考，那仅仅是练手而已，几乎等于白做。所以在这里给出一些自己对该实验的一些思考。△在实际测量电流和电压的数据点时，如何把握在附近点的测量？这是一个十分实际的问题，它直接关系到最后的值，如果在附近的数据点测量得比较少（比如只有一两个点），那么对的估计会有很大的误差；相反，如果在附近的数据点测得比较多，使得P-U曲线的顶峰上有比较多的数据点，那么对的估计是十分准确的。于是，我们应该在测量数据接近点时意识到应该在该区域加密数据的测量。那么如何判断会出现在哪个区域呢？在正式测量开始之前先对测量范围内的几个U、I点进行测量，由此可由二分逼近法得到一个的大概区域，这个区域一般在1V到2V宽比较适合。接下来测量数据时，当测量点进入该区域时，根据实际情况缩小测量间隔，在该区域里多测几组数据，出了该区域之后再加宽测量间距。△关于万用表示数显示问题该实验中的万用表在测量数据时，最后以为总是跳跃不停，究其原因，我认为不是万用表自己的问题，而是太阳能电池本身产生的电流不是绝对稳定所造成的。对于不断跳跃的尾数，老师建议的方法是：同时按下电流表和电压表的hold键，记下对应的两个数。可以知道，万用表的尾数的跳跃范围在3到5左右，也就是说瞬间前后的按下hold键所测得的数据可能相差了0.05V或0.5mA，所以在实际测量数据时，数据点的间隔至少应该是0.1V或0.5mA，否则测量的数据是没有意义的。其实实际上如果测量数据的间距真