光伏效应实验.docx

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光伏效应实验

实验4—18光伏效应实验

随着全球对能源的需求日益增长,人类已面临着两大难题：

一是地球上储量有限的燃料资源而引发的能源危机；二是以煤等化石燃料的大量燃烧所排放的CO2和SO2气体，导致的环境污染和温室效应，使人类的生存环境不断恶化。

加速发展清洁而可再生的太阳能，降低温室气体排放量，已成为全球的共识。

许多国家都把光伏发电作为优先发展项目，美国、希腊等国均已建成多座兆瓦级阳光电站，并启动了“屋顶光伏”计划，即以家庭为单位进行安装阳光发电。

我国将在2020年前建成五座兆瓦级阳光电站。

专家们早在十多年前就预言：

光伏是21世纪高新技术发展的前沿之一，预测在本世纪中叶，光伏发电将成为重要的发电技术之一，作为阳光电站的基石——太阳能电池，目前占主流的还是硅系列（单晶、多晶和非晶）太阳能电池。

此外,多元化合物太阳能电池，如：

砷化镓（耐高温）、铟硒（成本低、性能稳定，与非晶硅薄膜结合组成叠层太阳电池，以提高太阳能利用率）以及钾氟化合物太阳电池（高效）等，近年来发展也较迅速，预示着光伏发电的前景可谓春色满园。

本实验以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。

【实验目的】

1．初步了解光电池机理。

2．测量光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系。

3．在恒定光照下测量光电流，输出功率与负载之间关系。

【实验原理】

在P型半导体上扩散薄层施主杂质而形成的p-n结（如图4-18-1），由于光照，在A、B电极之间出现一定的电动势。

在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。

利用它制成的元器件称之为光电池。

光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。

从光伏效应的机理可知（见附录），光电池输出的电流是光生电流和在光生

电压作用下产生的p-n结正向电流之差，即。

根据p-n结的电流和电压关系

式中是光生电压，为反向饱和电流，所以输出电流

（4-18-1）

此即光电流表达式。

通常，上式括号内的1可忽略。

对于光电池有外加偏压时，（4-18-1）式应改为

（4-18-2）

上式中，就是p-n结在外加偏压V作用下的电流。

图4-18-2中的（a）、（b）两条曲线分别表示无光照和有光照时光电池的I-V特性，由此可知，光电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了其开路电动势和短路电流。

实验表明：

在=0情况下，当光电池外接负载电阻时，其输出电压和电流均随变化而变化。

只有当取某一定值时输出功率才能达到最大值，即所谓最佳匹配阻值，而则取决于光电池的内阻。

由于和均随光照强度的增强而增大，所不同的是与光强的对数成正比，与光强（在弱光下）成正比，如图4-18-3所示，所以亦随光强度变化而变化。

、和都是光电池的重要参数。

最大输出功率与和乘积之比，可用下式表示：

（4-18-3）

上式中FF是表征光电池性能优劣的指标，称为填充因子。

如图4-18-4所示，光电池的等效电路，在一定负载电阻范围内可以近似地视为由一个电流源与内阻并联，再和一个很小的电极电阻串联的组合。

【实验仪器】

TK-PV1型光伏效应实验仪。

【实验内容与步骤】

1．光强的调节和表示

本实验所用光源为LED（发光二极管），根据LED的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改变LED的静态工作电流确定光强的相对值。

本仪器设定LED的静态工作电流调节范围为0mA～20mA，对应显示器上的数值为0～2000。

（也可用“归一”法表示光强，即设为最大光强，为任意的光强，则/为无量纲的相对光强）。

的大小通过粗调和细调旋钮来调节。

细调旋钮只在输出较大时起作用，如显示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。

2．标尺的设定

为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向的移动标尺。

选择三色发光管中任意一种颜色光进行调试，接通LED驱动电源，调节指示为1000左右，功能切换开关置于档。

将水平标尺调到10mm左右；再调节垂直标尺，使开路电压达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。

由于三色LED的发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调节垂直标尺。

3．测量开路电动势与光强的关系

测量线路如图4-10-5所示。

将功能切换开关置于档，然后将面板上（毫伏表）正、负输入端与PV装置的光电池正、负输出端对应连接。

按实验所需光源颜色，接通LED驱动电源。

并调节标尺找到实验最佳工作状态。

调节=0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于PV装置不完全密封（如导线的入口处），有光线漏进装置中,使得显示不为0，实验时应将此数值记录下来，并在数据的后继处理时将其减去。

调节，测量不同光强下光电池的开路电动势。

自拟表格记录数据，并绘制～曲线。

4．测量短路电流与光强的关系

测量线路如图4-10-6所示。

将功能切换开关置于档；调节DC~01V电源输出，使微安表读数为10.00A~18.00A（建议取10.00A）。

在某一光强下，改变可调电阻R，使流过检流计的电流为零。

此时AB两点之间和AC两点之间的电压应相等,即=。

因而,即短路电流

（4-18-4）

上式中，为微安计内阻（10K）。

图4-18-6测量短路电流线路图

调节，测量不同光强下，光电池的短路电流，将数据记入表4-18-2，并绘制曲线。

5．按下式计算出光电池的内阻，自拟表格记录数据，并绘制曲线。

（4-18-5）

6．测量输出功率与负载电阻的关系

选择三色LED中任意一种光源进行实验。

测量线路如图4-18-7所示。

其中，为实验仪上标示的取样电阻（10KΩ），为电阻箱，负载电阻。

本实验中将仪器面板上的两端与正、负端并联，同时功能切换开关置于档。

光电池在恒定光照下（取约为1000），改变的大小，测量流过不同负载电阻的电流并计算输出电压。

自拟表格记录数据，并绘制~曲线。

计算不同负载电阻下输出功率，即，并绘出~曲线，确定最大输出功率时的负载电阻及填充因子。

注：

如若再选用另外颜色光进行实验，表格自拟。

【思考与创新】

1．开路电压、短路电流如何随光强而变化？

为什么开路电压（硅）的最大值不超过0.6V？

你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？

2．测量时，若不为零，如何根据的正、负号，确定增减R阻值？

（如为负是加大R还是减小R。

）

3．为什么图4-18-2中曲线b相对于曲线a是向下而不是向上平移？

并分析当光电池作为光控制器件使用时，应如何选择偏压方向？

4．试就本实验测定的方法与用图4-18-2伏安特性曲线确定的方法，进行讨论。

【附录】

I.光伏效应机理

图4-18-9、图4-18-10分别表示在无光照（即热平衡时）和有光照时p-n结空间电荷层模型和相应的能带示意图。

如正文图4-18-1所示，在n型扩散层足够薄的条件下，光线可以透过n层进入空间电荷区，只要光子的能量大于材料的禁带宽度，就能够将满带的电子激发到导带，产生光生电子—空穴对（如图4-18-10所示），在p-n结内电场（从n区指向p区）作用下电子进入n区，空穴进入p区。

形成自n区向p区的光生电流。

与此同时，光生电子—空穴对因中和掉部分空间电荷使空间电荷区变窄，势垒降低，其作用就等效于在p-n结施加一正向电压，产生从p区流向n区的正向电流。

光生电流和光生正向电流均通过p-n结，但方向相反。

在开路情况下势垒必然降低到使和相等，从而使通过p-n结的光电流为零。

p-n结两端建立起稳定的电势差（p区相对于n区为正），这就是光生电动势，其值等于势垒下降高度。

当p-n结接上外电路时，通过负载的电流即为正文所述。

图4-18-9无光照图4-18-10有光照

图中代表失去一个电子而带正电施主离子，代表空穴

代表得到一个电子而带负电受主离子，代表电子

注：

对于光子在n型扩散层和p型半导体内激发光生电子—空穴对的情形（如图4-18-11所示），同学可自行分析。

但应该注意以下两点：

1.形成光生电流只来自非平衡少数载流子的贡献，即p区中的电子，n区中的空穴。

2.能带弯曲部分对n区和p区的多子而言均为势垒，即起阻挡层作用。

II.TK-PV1型光伏效应实验仪使用说明书

TK-PV1型光伏效应实验仪以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量开路电压及短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。

本实验内容丰富，构思新颖，方法独特，性能稳定，而且适用面广（光电池涉及固体物理学、光学、电子学、化学、材料学等），是目前高校值得推荐的教学产品。

1.实验仪简介

本实验效果图如图4-18-12所示，该实验仪分五个部分：

图4-18-12实验仪

1）PV装置

PV装置是一个内设光源和待测试样的暗箱。

试样装在右侧箱壁，设有红、黑两个接线孔。

红色对应于光生电压正极。

光源装在一圆管的前端，并固定在左右、上下可调的标尺上，以调节光源与试样的距离和试样表面光照度。

箱顶部设有观察窗，便于检查光源工作正常与否。

逆时针水平旋动观察窗手柄为开启。

注意：

操作时只许轻轻水平拨动手柄，严禁朝下按压手柄。

LED的电源输入端设有多个驱动插孔，其中黑色为电源公共端，其他红、绿、蓝接口分别对应R、G、B光。

图4-18-13PV装置

暗箱内三色LED发光管和光电池示意图如图3所示：

图4-18-14暗箱内光源与光电池示意图

2）LED驱动电流源

提供LED驱动电流，由调节和显示两部分组成，位于实验箱的左边。

的调节通过粗调和细调旋钮来实现。

细调旋钮只在输出较高时起作用（如显示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋使其稳定）。

输出的红、黑两插孔分别与PV装置的光源驱动输入端对应连接。

仪器设定LED的工作电流调节范围为0-20mA，对应显示器上的数值为0-2000。

3）功能切换开关

功能切换开关位于实验箱右边，分别有、、三档。

（微安表）只在测量时开启，当测量和时（微安表）将被自动关闭。

4）DC0~1V稳压源

0~1V可调电压源位于实验箱的最右边，在测量时作为外加电源。

当测量结束时关闭该电源的输出。

5）电阻箱

电阻箱位于实验箱的中部，其量程为999.999K。

在测量时该电阻箱作为平衡电阻R使用，在测量光电池输出性能实验时作为可调的外接负载使用。

2.性能指标

1）0-20mA可调恒流源

输出电流：

0～20mA,连续可调，调节精度可达0.01mA；

电流稳定度：

优于10－3（交流输入电压变化±10％）；

负载稳定度：

优于10－3（负载由额定值变为零）；

电流指示：

位LED显示，精度不低于0.5％。

2）、和显示器

用位LED显示，精度不低于0.5％；

为负载电流测量范围：

0～19.99μA；

为流过检流计电流测短路电流时用；

为开路电动势测量范围：

0～1999mV。

3）0-1V直流可调稳压源

输出电压：

0～1V，连续可调，调节精度可达1mV；

电压稳定度：

优于10－3（交流输入电压变化±10％）；

负载稳定度：

优于10－3（交流输入电压变化±10％）。

4）数字微安计测用

调节范围：

0～100.0μA,精度可达0.1μA；

电流指示：

位LED显示，精度不低于0.5％。

5）电阻箱

调节范围：

0～999.999KΩ。

3.使用说明

1）标尺调节方法

选择三色发光管中任意一种颜色进行调试，接通LED驱动电源，调节指示为1000左右。

功能切换开关置档，将水平标尺