光伏效应实验.docx

1、光伏效应实验实验418 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

2、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

3、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

4、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

5、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0mA20mA ，对应显示器上的数值为02000 。（也可用“归一”法表示光强，即设为最大光强，为任

6、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

7、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DC01V电源输出，使微安表读数为10.00 A 18.00

8、 A（建议取10.00 A）。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（10 K），为电阻箱，负载电阻。本实验中将仪器面板上的两端与正、负

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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4-18-13 PV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

14、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） DC 01V稳压源01V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

15、。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：020mA, 连续可调，调节精度可达0.01mA；电流稳定度：优于103（交流输入电压变化10）；负载稳定度：优于103（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：019.99A；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：01999mV。3） 0-1V直流可调稳压源输出电压：01V，连续可调，调节精度可达1mV；电压稳定度：优于103（交流输入电压变化10）；负载稳定度：优于103（交流输入电压变化10）。4） 数字微安计测用调节范围：0100.0A,精度可达0.1A；电流指示：位LED显示，精度不低于0.5。5） 电阻箱调节范围：0999.999K 。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