太阳能电池基本特性的测量讲义.docx
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太阳能电池基本特性的测量讲义
太阳能电池基本特性的测量
太阳能的利用和太阳能电池特性研究是世纪新型能源开发的重点课题。
目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：
如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。
太阳能是一种清洁、“绿色”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。
本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。
【实验目的】
1．在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。
2．测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流（）、开路电压（）、最大输出功率及填充因子，。
填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3．测量太阳能电池的光照特性：
测量短路电流和相对光强度之间关系，画出与相对光强之间的关系图；测量开路电压和相对光强度之间的关系，画出与相对光强之间的关系图。
【实验原理】
太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压与通过电流的关系式为：
（1）
（1）式中，和是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为的半导体构成，如图1所示。
为半导体导电带，为半导体价电带。
当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。
电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图所示。
图中，为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。
由基尔霍夫定律得：
（2）
（2）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。
由
（1）式可得，
（3）
假定和，太阳能电池可简化为图所示电路。
这里，。
在短路时，，；
而在开路时，，；
（4）
（4）式即为在和的情况下，太阳能电池的开路电压和短路电流的关系式。
其中为开路电压，为短路电流，而、是常数。
【实验装置】
光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、白炽灯光源1只（射灯结构，功率）、光功率计（带直流稳压电源）、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。
【实验内容】
1．在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的特性，用实验测得的正向偏压时关系数据，画出曲线并求得常数和的值。
2．在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。
注意此时光源到太阳能电池距离保持为。
（1）画出测量实验线路图。
（2）测量太阳能电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。
（3）用外推法求短路电流和开路电压。
（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。
（5）计算填充因子。
3．测量太阳能电池的光照特性：
在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度；改变太阳能电池到光源的距离,用光功率计测量处的光照强度J，求光强J与位置的关系。
测量太阳能电池接收到相对光强度不同值时，相应的和的值。
（1）描绘和相对光强度之间的关系曲线，求和与相对光强之间近似关系函数。
（2）描绘出和相对光强度之间的关系曲线，求与相对光强度之间近似函数关系。
【实验数据表格】
1．在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流和太阳能电池的输出电压。
测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：
表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
若用户备有直流可调电源，则可采用图6实验线路：
正向偏压在变化条件下，用固定电阻取代电阻箱（但电阻值必须准确，否则计算电流值时将有较大的误差，把测量结果记录到表2中。
表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
由，当较大时，，即由最小二乘法，将表中最后几点数据处理得：
求出:
和相关系数值。
2.不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离，测量太阳能电池的输出对太阳能电池的输出电压的关系，测量电路请自拟。
把测量结果记录到表。
表 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录
200
4400
300
4600
400
4800
600
5000
800
5500
1000
6000
1200
6500
1400
7000
1600
7500
1800
8000
2000
8500
2200
9000
2400
10000
2600
20000
2800
30000
3000
40000
3200
50000
3400
60000
3600
70000
3800
80000
4000
90000
4200
3．测量太阳能电池和与相对光强的关系，用光强计测定不同光源距离时的光强值。
短路电流可以直接用万用表的直流电流档量出，开路电压则直接用万用表的直流电压档量出。
把测量结果记录到表4中：
表4太阳能电池和与相对光强的关系
光源距离
15
20
23
25
27
29
30
31
32
33
34
35
【实验数据范例】（注：
以下数据不作为仪器验收标准，仅供实验时参考）
表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
42.61
2.51
0.49
11.50
2.44
30.15
2.59
0.41
13.60
2.61
21.60
2.65
0.35
16.20
2.79
13.57
2.73
0.27
19.90
2.99
8.94
2.79
0.21
23.50
3.16
5.45
2.85
0.15
27.50
3.31
2.04
2.93
0.07
34.30
3.54
0.00
3.00
0.00
40.80
3.71
，，相关系数，电流与电压的指数关系得到验证。
表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
0.400
1.498
2.034
2.286
2.410
2.488
0.01
0.39
1.40
2.53
3.46
4.16
0.01
0.39
1.40
2.53
3.46
4.16
2.601
2.654
2.727
2.787
2.853
2.928
5.46
6.21
7.49
8.79
10.41
12.76
5.46
6.21
7.49
8.79
10.41
12.76
由，当较大时，，即由最小二乘法，将表2中最后6点数据处理得以下结果：
，,相关系数。
表 恒定光照下太阳能电池在无偏压时伏安特性数据记录
200
0.225
1.1250
0.2531
4400
3.46
0.7864
2.7208
300
0.341
1.1367
0.3876
4600
3.49
0.7587
2.6479
400
0.457
1.1425
0.5221
4800
3.51
0.7313
2.5667
600
0.683
1.1383
0.7775
5000
3.53
0.7060
2.4922
800
0.911
1.1388
1.0374
5500
3.58
0.6509
2.3303
1000
1.138
1.1380
1.2950
6000
3.62
0.6033
2.1841
1200
1.364
1.1367
1.5504
6500
3.64
0.5601
2.0384
1400
1.591
1.1364
1.8081
7000
3.67
0.5243
1.9241
1600
1.817
1.1356
2.0634
7500
3.69
0.4921
1.8155
1800
2.05
1.1389
2.3347
8000
3.71
0.4638
1.7205
2000
2.27
1.1350
2.5765
8500
3.72
0.4376
1.6280
2200
2.49
1.1318
2.8182
9000
3.73
0.4144
1.5459
2400
2.69
1.1208
3.0150
10000
3.76
0.3761
1.4138
2600
2.87
1.1038
3.1680
20000
3.85
0.1925
0.7411
2800
3.01
1.0750
3.2358
30000
3.88
0.1293
0.5018
3000
3.11
1.0367
3.2240
40000
3.9
0.0975
0.3803
3200
3.19
0.9969
3.1800
50000
3.91
0.0782
0.3058
3400
3.26
0.9588
3.1258
60000
3.92
0.0653
0.2561
3600
3.32
0.9222
3.0618
70000
3.93
0.0561
0.2206
3800
3.36
0.8842
2.9709
80000
3.94
0.0493
0.1940
4000
3.41
0.8511
2.8910
90000
3.94
0.0438
0.1725
4200
3.43
0.8167
2.8012
表4太阳能电池和与相对光强的关系
光源距离
15
1.679
1.00
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