大学物理实验--太阳能电池伏安特性的测量_中华文本库
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太阳能电池伏安特性的测量
【实验目的】
1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用
2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线
【实验原理】
1．太阳电池的结构
以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1 所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行 工作．一般采用n+/p 同质结的结构，即在约10 cm×10 cm 面积的p 型硅片（厚度约500 μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3 μm）的经过重掺杂的n 型层．然后在n 型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．
图一太阳电池结构示意图
2．光伏效应
图二太阳电池发电原理示意图
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．那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．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，存在一空间电荷区，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．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p 区．同样，如果在结附近p 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n 区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n 区和p 区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p 区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV）．
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太阳能电池伏安特性的测量
【实验目的】
1. 了解太阳能电池的工作原理及其应用 2. 测量太阳能电池的伏安特性曲线
【实验原理】
1．太阳电池的结构
以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1 所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行 工作．一般采用n+/p 同质结的结构，即在约10 cm×10 cm 面积的p 型硅片（厚度约500 μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3 μm）的经过重掺杂的n 型层．然后在n 型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．
图一太阳电池结构示意图
2．光伏效应
图二太阳电池发电原理示意图
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C空穴对．那些在结附近n 区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．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，存在一空间电荷区，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．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p 区．同样，如果在结附近p 区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n 区．结区内产生的电子C空穴对在内建电场的作用下分别移向n 区和p 区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p 区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（Photovoltaic Effect, 缩写为PV）．
3．太阳电池的表征参数
太阳电池的工作原理是基于光伏效应．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Iph．同 时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流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
式中VD 为结电压，I0 为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数 是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n 称为理想系数（n 值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2 之间．q 为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T 为温度．
如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD 即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为
当太阳电池的输出端短路时，V = 0（VD ≈0），由（2）式可得到短路电流
即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I = 0，由（2） 和（3）式可得到开路电压
当太阳电池接上负载R 时，所得的负载伏C安特性曲线如图2 所示．负载R 可以从零到无穷大．当负载 Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm 为
式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm 之比定义为填 充因子FF，则
FF 为太阳电池的重要表征参数，FF 愈大则输出的功率愈高．FF 取决于入射光强、材料的禁带宽度、理 想系数、串联电阻和并联电阻等．
太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin 之比，即
图三太阳电池的伏C安特性曲线
4．太阳电池的等效电路
图四太阳电池的等效电路图
太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电 流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3 所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为
为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．
【实验数据记录、实验结果计算】
◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：
1. 根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线
2. 各个条件下，光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化
【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】
◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论
从图中的曲线可以明显看出：
1. 光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是否有上界）；
2. 研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势大致增大一倍；
3. 研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平坦，电阻越大。在图中可以看出：串联电池使得电池的总电阻倍增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界），光照强度越大，电池的电阻越大。
4. 研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流），电池的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联的原因）；光照强度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越小（从太阳能电池的原理可知：光照强度决定了光生电流的大小，从而决定了短路电流和电动势的大小）。
◆各个条件下输出功率P随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论
1. 虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成功的，
因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。
研究个条件下的最大功率的大小，可以看出：双电池供电（不论是串联还
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The solar cell volt-ampere characteristics
以上为机器翻译结果，长、整句建议使用
介绍了太阳能电池的基本原理和伏安特性，提供了一套小功率简易太阳能控制器的电路。
This paper introduces solar energy cell′s basic principle and VI character, provides a set of circuit of small power simple solar energy controller.
分别采用白炽灯和日光灯作为光源，测量了太阳能电池的伏安特性、开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、光照特性等基本特性。
The results show that the open-circuit voltage and EQE in high surface doping concentration cell are lower compared to the cells in low surface doping concentration.
分别采用白炽灯和日光灯作为光源，测量了太阳能电池的伏安特性、开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、光照特性等基本特性。
Using fluorescent and incandescent as light source, basic features of solar cells such as short circuit current, open voltage, maximum output filling factor and so on were measured.
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- 来自原声例句
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摘要：太阳能电池注意事项-警惕-小常识篇:主要介绍了太阳能电池性能检测的标准条件以及检测所需的电压表、电池、电阻等内容。以下内容由买购网整理，提供给您参考。
太阳能电池性能检测注意事项 标准测试条件 标准规定地面标准阳光光谱采用总辐射的AM1.5标准阳光光谱。 地面阳光的总辐照度规定为1000 w/m2。标准测试温度规定为25°C 对定标测试，标准测试温度的允许差为+ 1°C。对非定标准测试。标准测试温度允许差为+2°C。 如受客观条件所限，只能在非标准条件下进行测试，，则必须将测量结果换算到标准测试条件。 测量仪器与装置 （1）电压表（包括一切测量电压的装置）电压表的精度应不低于0.5级。电流表内阻应小到能保证在测量短路电流时，被电池两端的电压不超过开路电压的3%。当要求更精确时，在开路电压的3%以内可利用电压和电流的线性关系来推算完全短路电流。推荐用数学毫伏表测量取样电阻两端电压降的方法来测量电流。（2）标准太阳电池 标准太阳电池用于校准测试光源的辐射照度。 对AM1.5工作标准太阳电池作定标测试时，用AM1.5二级标准太阳电池校准辐射度。在非定标测试中，一般用AM1.5工作标准辐照度，要求时用AM1.5级标准太阳电池。 （3）取样电阻 取样电阻的精确度应不低于+0.2%。必须采用四端精密电阻 电池短路电流和取样电阻值的乘积应不超过电池开路电压的3%。 （4）函数记录仪 函数记录仪有于记录太阳电池的伏安特性曲线。函数记录仪的精密应不低于0.5级。对函数记录仪内阻的要求和对电压表内阻的要求相同。 （5）负载电阻 负载电阻应能从零平滑地调节到10KΩ以上。必须有足够的功率容量，以保证在通电测量时不会因发热而影响测量精度。当可变电阻不能满足上述条件时，应采用等效的电子可变负载。 （6）温度计 温度计或测温系统的仪器误差应不超过+0.5°C测量系统的时间响应不超过1秒。测量探头的体积和形状应保证它能尽量靠近太阳电池的pn结安装。 （7）室内测试光源
辐照度、辐照和均匀度、稳定度、准直性及光谱分布均应符合一定的要求。
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广东省通信管理局，如果让光源长时间照射太阳能电池,是否会影响测量结果?为什么?（大学物理实验）
有影响.随着温度的升高短路电流密度会增加,但是开路电压和填充因子都会随着温度的升高而降低,总的效果是转换效率降低.标准测试是在AM1.5,25℃条件下进行,同时需要用标准电池进行太阳能模拟光源和温度的修正.
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