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太阳能电池基本特性的测量论文
太阳能电池基本特性的测量 摘要:从太阳能电池的结构、工作原理出发,分别测量太阳能电池在无光照(在正向偏压条件下)和有光照时的伏安特性曲线,系统地论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压和填充因子等参数。 关键字:太阳能电池;短路电流;开路电压;填充因子 引言:能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战,开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源,对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 【实验目的】 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。 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。 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。 (1)使用0 ~ 3.0V直流可调电源,测量电路如图4所示,连接时应注意电池的正负极性. (2) 不断调节直流可调电源的电压得到正向偏压时的U-I 关系数据,画出U-I 图线 2.在不加偏压时,用白炽灯光源照射,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。测量电路如图6 所示. (1)连接实验线路图。 (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)求太阳能电池的输出功率与负载电阻之间的关系。 图6无偏压恒定光照下的伏安特性测量电路 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,测量太阳能电池和与相对光强的关系。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。 (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。 (3)计算填充因子。 【实验数据记录及处理】 全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时U—I 特性 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 由,当较大时,,即由最小二乘法,将表中数据处理得:求出: β=2.1163V-1,lnI0=-2.855,I0=0.0576mA,相关系数为:r=0.9828。 图1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时的伏安特性曲线 图2全暗情况下太阳能电池在外加偏压时输出电压与电流的对数关系曲线 2.恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性 表2 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录 图3恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性曲线 图4恒定光照下太阳能电池在不加偏压时输出功率与负载电阻的关系 3.太阳
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