太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用.docVIP

2009 年增刊  《福建师范大学福清分校学报》 总第 96 期 ＪＯ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＦＵ Ｑ ＩＮ Ｇ ＢＲ Ａ Ｎ ＣＨ Ｏ Ｆ ＦＵ ＪＩＡ Ｎ Ｎ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｌ Ｕ Ｎ ＩＶ ＥＲ ＳＩＴＹ Sum No.96 ＊ 刘银春，陈  雄，魏  芬，何志敏 (福建农林大学机电工程学院，福建福州 350002) 摘  要：介绍太阳电池的物理原理，表征太阳电池特性的物理参数，阐述了大学物理实验中的太阳电池 特性测试仪的结构原理及其实验内容和测试的方法、测试内容，并对实验进行分析总结。 关键词：太阳电池；大学物理实验；光功率计 1 中图分类号：TM914.4 引言 文献标志码：A 文章编号：1008-3421（2009）07-0050-05 太阳能是一种可再生的清洁、绿色”能源。目前世界 各国都高度重视太阳能的开发和应用。太阳电池是利用 光伏效应将其所吸收的光子能量转换为电能得器件，也 称光伏电池。太阳电池是太阳能开发和利用的主要方向 之一。光伏产业是一个朝阳产业。我国已成为世界太阳电 池的生产大国，但还不是强国，要实现强国之梦，人才是 关键，教育是基础。因此，在大学物理实验中开设太阳电 池基本特性测量实验，有重要的现实意义。  图 １ 典型晶体硅太阳电池的结构图 2 太阳电池的物理原理 太阳电池是利用半导体材料的内光电效应把光能转 变为电能的器件。图 1 是典型的晶体硅太阳电池的结构 图[1]。由图可见，太阳电池是一个半导体异质结，在没有光 照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其通过电 流 I 与正向偏压 U 的关系式为： I=I0(eBU-1) (1) 图 ２ 光伏效应原理图 式中，I0 和 β 是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为 Eg=EC－EV 的半导体构成，如图 2 所示。EC 为半导体导 电带，EV 为半导体价电带。 当入射光子能量大于能隙 Eg 时，光子会被半导体吸收，产生电子-空穴对，也称光生载流子。由 于热运动电子-空穴对会向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建 电场分离，光生电子被推向 N 区，光生空穴被推进 P 区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似 为 0.在 N 区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 P-N 结边界扩散，一旦到达 P-N 结边界，便立 即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入 P 区，而光生电子（多 数载流子）则被留在 N 区。同理，P 区中的光生电子也会向会 P-N 结边界扩散，并在到达 P-N 结边 收稿日期：2009-10-19 作者简介：刘银春（1954－），男，福建南平人，教授，硕士生导师。 * 基金项目：福建省教育厅《福建省大学物理实验教学示范中心》建设项目（2008） 刘银春，陈  雄，魏 芬，何志敏:太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用  51 界后，同样会受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，进入 N 区,  而光生空穴（多数载 流子）则被留在 P 区。于是在 P-N 结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光 生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使 P 型层带正电，N 型层带负电，从而产生了 光生电动势，这种现象称为光生伏特效应（简称 光伏）。只要在两个电极间加上负载，回路就有电 流通过。 3 太阳电池特性的物理参数 假设太阳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 3 所示。图 3 中，Iph 为太阳能电池在光照时该等效 电源输出电流，Id 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： IRs+U-(Iph-Id-I)Rsh=0 图 ３ 太阳能电池等效电路图 （2） 式（2）中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由式（1）可得， I(1+ Rs )=Iph- Rs -Id Rsh Rsh （3） 3.1 短路电流 假定 Rsh=∞ 和 Rs=0，太阳能电池可简化为图 4 所示电路。由式（2）得： I=Iph-Id=Iph-Io(eBU-1) （4） 在短路时，U＝0，由式（4）得 Iph-Isc。 我们把太阳电池在端电压为 0 时的电流称为 短路电流，通常用 Isc 表示。它是伏安特性曲线与纵 坐标的交点所对应的电流。短路电流 Isc 与太阳电 图 ４ 太阳能电池简化电路 池的面积大小有关，面积越大，Isc 越大，一般 1cm 2 的单晶硅太阳电池 Isc=16~30mA。短路电流 Isc 是描述太阳电池特性的重要指