實(shí)驗(yàn) 太陽(yáng)電池伏-安特性的測(cè)量
太陽(yáng)電池（Solar Cells），也稱(chēng)為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件．由
這種器件封裝成太陽(yáng)電池組件，再按需要將一塊以上的組件組合成一定功率的太陽(yáng)電池方
陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流-交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽(yáng)電池發(fā)電系
統(tǒng)，也稱(chēng)為之光伏發(fā)電系統(tǒng)．它具有不消耗常規(guī)能源、無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、
使用方便、功率大小可任意組合、無(wú)噪音、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)．世界上第一塊實(shí)用型半導(dǎo)體太
陽(yáng)電池是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室于1954 年研制的．經(jīng)過(guò)人們40 多年的努力，太陽(yáng)電池的研究、
開(kāi)發(fā)與產(chǎn)業(yè)化已取得巨大進(jìn)步．目前，太陽(yáng)電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無(wú)電、
少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等）的重要電源．隨著太陽(yáng)電池
制造成本的不斷降低，太陽(yáng)能光伏發(fā)電將逐步地部分替代常規(guī)發(fā)電．近年來(lái)，在美國(guó)和日
本等發(fā)達(dá)國(guó)家，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已進(jìn)入城市電網(wǎng)．從地球上化石燃料資源的漸趨耗竭和大
量使用化石燃料必將使人類(lèi)生態(tài)環(huán)境污染日趨嚴(yán)重的戰(zhàn)略觀點(diǎn)出發(fā)，世界各國(guó)特別是發(fā)達(dá)
國(guó)家對(duì)于太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)十分重視，將其擺在可再生能源開(kāi)發(fā)利用的首位．因此，太
陽(yáng)能光伏發(fā)電有望成為21 世紀(jì)的重要新能源．有專(zhuān)家預(yù)言，在21 世紀(jì)中葉，太陽(yáng)能光伏
發(fā)電將占世界總發(fā)電量的15% ~ 20%，成為人類(lèi)的基礎(chǔ)能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有
一定的地位．
【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?br>1．了解太陽(yáng)電池的工作原理及其應(yīng)用；
2．測(cè)量太陽(yáng)電池的伏–安特性曲線．
【實(shí)驗(yàn)原理】
1．太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)
以晶體硅太陽(yáng)電池為例，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示．晶體硅太陽(yáng)電池以硅半導(dǎo)體材料制
成大面積pn 結(jié)進(jìn)行工作．一般采用n+/p同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，即在約10 cm×10cm面積的p型硅片（厚度約500 μm）上用擴(kuò)散法制作出一層很?。ê穸葉0.3μm）的經(jīng)過(guò)重?fù)诫s的n 型層．然后在n型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極．在整個(gè)背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極．這樣就形成了晶體硅太陽(yáng)電池．為了減少光的反射損失，一般在整個(gè)表面上再覆蓋一層減反射膜．

2．光伏效應(yīng)
當(dāng)光照射在距太陽(yáng)電池表面很近的pn 結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg ，則在p 區(qū)、n 區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子–空穴對(duì)．那些在結(jié)附近n 區(qū)中
產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散．只要少數(shù)載流子離pn結(jié)的距離小于它的擴(kuò)
散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處．在p 區(qū)與n 區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一空間
電荷區(qū)，也稱(chēng)為耗盡區(qū)．在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成一電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由n 區(qū)指向p區(qū)，
這個(gè)電場(chǎng)稱(chēng)為內(nèi)建電場(chǎng)．這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下
被拉向p 區(qū)．同樣，如果在結(jié)附近p 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也
會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向n區(qū)．結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子–空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向n
區(qū)和p區(qū)．如果外電路處于開(kāi)路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p 區(qū)
獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)．這一現(xiàn)象稱(chēng)
為光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect, 縮寫(xiě)為PV）．
3．太陽(yáng)電池的表征參數(shù)
太陽(yáng)電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)．當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由n 區(qū)到p 區(qū)的
光生電流Iph．同時(shí)，由于pn 結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p
區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反．因此，實(shí)際獲得的電流I 為

式中VD為結(jié)電壓，I0為二極管的反向飽和電流，Iph為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，
其比例系數(shù)是由太陽(yáng)電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定的．n 稱(chēng)為理想系數(shù)（n值），是表示pn
結(jié)特性的參數(shù)，通常在1~2之間．q為電子電荷，kB為波爾茨曼常數(shù)，T為溫度．
如果忽略太陽(yáng)電池的串聯(lián)電阻Rs，VD即為太陽(yáng)電池的端電壓V，則（1）式可寫(xiě)為

當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端短路時(shí)，V = 0（VD ≈ 0），由（2）式可得到短路電流

即太陽(yáng)電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強(qiáng)度成正比．當(dāng)太陽(yáng)電池的輸出端開(kāi)路
時(shí)，I = 0，由（2）和（3）式可得到開(kāi)路電壓當(dāng)太陽(yáng)電池接上負(fù)載R 時(shí)，所得的負(fù)載伏–安特性曲線如圖2 所示．負(fù)載R 可以從零
到無(wú)窮大．當(dāng)負(fù)載Rm使太陽(yáng)電池的功率輸出為最大時(shí)，它對(duì)應(yīng)的最大功率Pm為

式中Im 和Vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓．將Voc與Isc的乘積與最大功率Pm之
比定義為填充因子FF，則FF為太陽(yáng)電池的重要表征參數(shù)，F(xiàn)F愈大則輸出的功率愈高．FF取決于入射光強(qiáng)、材料的
禁帶寬度、理想系數(shù)、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻等．太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)換效率h 定義為太陽(yáng)電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)電池的總輻射能Pin 之比，即

4．太陽(yáng)電池的等效電路
太陽(yáng)電池可用pn 結(jié)二極管D、恒流源Iph、太陽(yáng)電池的電極等引起的串聯(lián)電阻Rs和相當(dāng)于pn 結(jié)
泄漏電流的并聯(lián)電阻Rsh組成的電路來(lái)表示，如圖3 所示，該電路為太陽(yáng)電池的等效電路．由
等效電路圖可以得出太陽(yáng)電池兩端的電流和電壓的關(guān)系為

為了使太陽(yáng)電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯(lián)電阻Rs，增大并聯(lián)電阻Rsh．
【實(shí)驗(yàn)儀器】
1．太陽(yáng)能光伏組件，功率為5瓦．
2．輻射光源，300 瓦鹵鎢燈．
3．?dāng)?shù)字萬(wàn)用表，2 個(gè)．
4．，可變電阻2 個(gè)，接線板．

【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】

1．將太陽(yáng)能光伏組件，數(shù)字萬(wàn)用表，負(fù)載電阻通過(guò)接線板連接成回路，改變負(fù)載電阻R，測(cè)量流經(jīng)負(fù)載的電流I和負(fù)載上的電壓 V，即可得到該光伏組件的伏–安特性曲線．測(cè)量過(guò)程中輻射光源與光伏組件的距離要保持不變，以保證整個(gè)測(cè)量過(guò)程是在相同光照強(qiáng)度下進(jìn)行的．
2．分別測(cè)量以下幾種條件下光伏組件的伏安特性曲線：
（1）輻射光源與光伏組件地距離為60 cm；
（2）輻射光源與光伏組件地距離為80 cm；
（3）輻射光源與光伏組件地距離為80 cm，將兩組光伏組件串聯(lián)；
（4）輻射光源與光伏組件地距離為80 cm；，將兩組光伏組件并聯(lián)．
3．用坐標(biāo)紙或計(jì)算機(jī)繪圖軟件畫(huà)出不同條件下：
（1）光伏組件的伏–安特性曲線；（2）光伏組件的輸出功率P隨負(fù)載電壓 V 的變化；
（3）光伏組件的輸出功率P 隨負(fù)載電阻R 的變化．確定不同條件下光伏組件的短路電流Isc，開(kāi)路壓Voc，最大功率Pm，最佳工作電流Im、工作電壓Vm及負(fù)載電阻Rm，填充因子FF，并將這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列在一表格內(nèi)進(jìn)行比較．
【注意事項(xiàng)】
1．輻射光源的溫度較高，應(yīng)避免與燈罩接觸．
2．輻射光源的供電電壓為220V，應(yīng)小心觸電．