功能材料综合试验试验讲义一-材料科学与工程试验教学中心.PDF

《功能材料综合实验》实验讲义 一、新能源材料实验 主要完成太阳能电池基本特性测试、锂离子电池电极材料性能测试、热电材料性能 测试 3 个实验，使学生对太阳能光伏材料、锂离子电池材料、热电材料等能源材料的基 本原理及性能表征有较为完整的认识，掌握能源材料相关的基本理论和实践技能。 实验1 太阳能电池特性测定实验 一、实验目的 通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通 过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。 二、实验内容 太阳能电池基本特性的测量，如开路电压、短路电流和填充因子等。 三、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U 与通过电流I 的关系式 为： I Io (eU 1) (1) I (1)式中， 和 是常数。 o  由半导体理论，二极管主要是由能隙为 E -E 的半导体构成，如图 1 所示。E 为半 c v c 导体导电带，Ev 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。 1 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Rsh 与一个电阻 Rs 所组成，如图 2 所示。 图 中，I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，I 为光照时通过太阳能电 2 ph d 池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： IRs U (Iph Id I)Rsh 0 （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， R U I(1  s )  Iph  Id （3 ） R R sh sh 假定R sh   和R s  0 ，太阳能电池可简化为图3 所示电路。 这里，I  I I  I I (eU 1) 。 ph d ph 0 在短路时，U  0 ，I  I ； ph sc 而在开路时，I  0 ，I I (eUoc 1)  0 ； sc 0 1 I U  ln[ sc 1] （4 ） OC  I0 （4 ）式即为在R Sh   和R S  0 的情况下，太阳能电池的开路电压UOC 和短路电流 I 的关系式。其中U 为开路电压，I 为短路电流，而I 、 是常数。 SC OC SC 0  四、实验仪器 太阳能电池特性实验仪、附接线的盒装太阳能电池、数字万用表 1 只、电阻箱 1 只、 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 个等。 五、实验步骤 1．在没有光源（全黑）的条件