太阳能电池的特性测量

太阳能电池的特性测量实验目的1.测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U0和短路电流Is。2.在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P和负载电阻R的函数关系。3.确定太阳能电池的最大输出功率Pmax以及相应的负载电阻Rmax和填充因数。原理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（如图1）。那些在pn结附近n区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。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，存在一空间电流区，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。只有p区的光生电子和n区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在n区边界附近有光生电子积累，在p区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p区指向n区。这一现象称为光伏效应（Photovoltaiceffect）。图1太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。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Is。同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二级管电流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为两个电流之差：)()(DSUIΦII（1）如果连接一个负载电阻R，电流I可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流Is，以及取决于端电压U的正方向电流ID。由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流ID可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流ID（U）迅速增加。图2在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性（Umax，Imax：最大功率点）当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流等与光生电流Is。当太阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U0。在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R。太阳能电池的输出功率在最大负载电阻Rmax时达到一个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。Ri=U0/IS（2）这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小（见图2），它们之比为S0maxIUPF（3）F称为填充因数。我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会导致更大的开路电压U0，而并联会导致更大的短路电流IS。在本实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录在四个不同的光照强度时电流和电压特性。光照强度通过改变光源的距离来实现。此外，太阳能电池的输出功率P=U·I（4）是负载电阻R=U/I（5）的函数。仪器太阳能电池两块插件板：A4大小万用表两块一个光源：卤素灯一个稳压源：2~12V，100W图3实验装置仪器调整实验装置见图3。1.把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来（串联起2个太阳能电池）。2.插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上。3.连接电流表，使它和电池、可变电阻串联。选择测量范围：直流200mA。4.连接电压表使之与电池并联，选择量程：直流2V。5.连接卤素灯与稳压源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光。实验步骤1.接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变卤素灯的距离或调节光源输出光功率，使短路电流大约为45mA。2.逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流和电压值，记入表格1。3.断开电路，测量开路电压并记录。4.调节电源功率，调整短路电流约35mA，25mA和15mA，并重复上述测量。5.根据表1，用坐标纸或Excel绘出U-I曲线。6.根据表2，坐标纸或Excel绘出P-R特性曲线。7.计算表格3的物理量。8．由表格4计算填充因数的平均值。数据记录表格表1：测量太阳能电池的端电压U和通过负载电阻的电流I(短路电流IS开路电压U0)第一组第二组第三组第四组IS=U0=IS=U0=IS=U0=IS=U0=I/mAU/VI/mAU/VI/mAU/VI/mAU/V表2：根据表1测量的U和I值计算得到的P和R值第一组第二组第三组第四组R/ΩP/mWR/ΩP/mWR/ΩP/mWR/ΩP/mW表3：对应于最大功率的负载电阻值Rmax和根据（2）式计算出的内阻值Ri第一组第二组第三组第四组Rmax/ΩRi/ΩRmax/Ri表4：最大功率Pmax和开路电压与短路电流的乘积第一组第二组第三组第四组Pmax/mWU0·IS/mWF=Pmax/U0·IS思考题1.由表1绘出的伏安特性曲线说明负载电阻R、端电压U及光的辐射强度之间的关系。2.由表2绘出P-R特性曲线说明在一定的光照强度下，P与R之间的关系。3.太阳能电池的短路电流与光照强度之间是什么关系？4.在一定的负载电阻下，太阳能电池的输出功率取决于什么？何时输出功率最大？且与光照强度有怎样的关系？5.对于负载电阻较小时，太阳能电池表现出什么特性，而负载电阻较大时有什么特性？