太阳能电池实验,物理实验教学中心 马红,实验背景,太阳能是指太阳辐射的能量。我们知道在太阳内部无时无刻的在进行着氢转变为氦的热核反应。反应过程中伴随着巨大的能量向宇宙空间的释放。所有太阳释放到宇宙空间的能量都属于太阳能的范畴。科学研究已经表明太阳的热核反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率约3.81023Kw。根据地球体积、及地球与太阳的距离等数据可以计算出地球被辐照到的太阳能大致为全部太阳能量辐射量的20亿分之一左右。考虑到地球大气层对太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面的太阳辐照功率为80亿千瓦，折合500万吨标准煤的能量。 人类对硅材料的认识及固体理论、半导体理论的发展和成熟，是太阳能利用的关键推动力，具有里程碑意义的事件是1945年美国Bell实验室研制出实用性硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用贸易的热点。太阳能潜在的市场为全世界所关注。除了人类能源需求量的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、理论和工艺技术水平的提高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是一个重要的因素 太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应。理解太阳能电池的工作原理、基本特性表征参数和测试方法是必要和重要的。,太阳能电池的发展,1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。 由于材料、结构、工艺等方面的不断改进，太阳能电池逐渐由航天等特殊的用电场合进入到地面应用中。现在太阳能电池的价格不到20世纪70年代的1%。预期10年内太阳能电池能源在美国、日本和欧洲的发电成本将可与火力发电竞争。目前，年均增长率35%，是能源技术领域发展最快的行业。,无机太阳能电池,实验目的,1、了解pn结基本结构与工作原理； 2、了解太阳能电池的基本结构，理解其工作原理； 3、掌握pn结的IV特性及IV特性对温度的依赖关系； 4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源波长、温度等因素对太阳能电池特性的影响； 5、通过分析PN结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。,实验仪器,仪器组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和显示由计算机软件完成。整机图片如下：,8,1、光路部分内部示意图 本设备光路简洁，有光源、凸透镜、滤色片构成。,9,2、测试主机 （1）面板介绍：（见下图） .紧急停机按钮：直接按下为关顺时针旋转自动归位 .关机按钮: 正常关机按钮。.开机按钮。 .PC接口：与计算机通信的USB接口。 .光源通信接口：与氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息。 .故障灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常。 .工作状态：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整 . 电源：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。,10,（2） 电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太阳能电池片所在的控温室的温度控制，在一定范围内，可使控温室达到指定温度。测试电路用于测试太阳能电池片各性能的数据，该电路将测得数据传送给计算机，由计算机进行数据的处理和显示。 （3） 控温室：给太阳能电池片提供一个-1040的太阳能电池片的测试环境。 3、氙灯电源：氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内除湿。,实验原理,1、光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们的导电能力在导体和绝缘体之间，其导电能力随外界环境，如温度、光照等，而发生显著的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是pn结。pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域。太阳能电池，本质上就是pn结。,PN结结构示意图,当有入射光垂直入射到PN结，只要PN结结深比较浅，入射光子会透过PN结区域甚至能深入半导体内部。如下图所示，如果入射光子能量满足关系 （Eg为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材料本征吸收，在PN结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。这种作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由N区指向P区，与内建电场方向 一致；第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，PN结势垒高度降低，甚至会完全消失。宏观的效果是在PN结两端产生电动势，也就是光生电动势。,光辐照下的PN结,13,2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系（暗特性） 太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个pn结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想pn结。其电流电压关系为肖克莱方程：,其中 为反向饱和电流。A、D、n p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。,14,3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系（光亮特性） 光生少子在内建电场驱动下定向的运动在PN结内部产生了n区指向p区的光生电流IL，光生电动势等价于加载在PN结上的正向电压V，它使得PN结势垒高度降低qVDqV。开路情况下光生电流与正向电流相等时，PN结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的开路电压Voc。如图4所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过PN结，显然PN结相当于一个电源。光电流IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使pn结正偏。如图3所示，正偏电压产生正偏电流IF。在反偏情况下，pn结电流为： 随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，因此太阳能电池的电流总是反向的。,太阳能电池等效电路图,15,4、太阳能电池的效率 太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池 的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率 定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：,16,5.太阳能电池光谱响应 光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。定量地说，太阳能电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。太阳能电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳能电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳能电池的绝对光谱响应。如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳能电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳能电池的相对光谱响应。但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。 太阳能电池光谱响应测试：太阳能电池的光谱响应R（）是指在某一特定波长 处，太阳能电池输出的短路电流I（）与入射到太阳电池上的辐射功率（）的比值：R（）=I（）/（） 如果在相同条件下测量太阳能电池，则太阳能电池的绝对光谱响应可以表达为： R（）= R（）I（）/ I（）,实验内容与步骤,1.太阳能电池的暗伏安特性测量 暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。本次实验是在闭光条件下，在不同温度点测试太阳能电池的正反向伏安特性。 (1) 暗伏安特性正向测试,测试步骤： 镜筒加遮光罩，室温条件下，按图10原理图，对太阳能电池片两端加0-3.5V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。 镜筒加遮光罩，改变温度值，范围为-10-40。按图10原理图，对太阳能电池片两端加0-3.5V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。,（2）暗伏安特性反向测试,测试步骤： 镜筒加遮光罩，室温条件下，按图11原理图，对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。 镜筒加遮光罩，改变温度值，范围为-10-40。按图11原理图，对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流，并记录数据。,19,2.太阳能电池的光亮特性测试 光亮特性测试内容主要是在不同温度，不同光照强度，不同光谱的情况下，测试单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池输出的电压，电流，并计算输出最大功率和填充因子、转换效率。,光亮特性测试原理图,20,(1) 开路电压，短路电流与光强关系测量 ，不加滤光片，室温下， 改变氙灯光强大小，测单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池对应的短路电流，开路电压。测量原理见图13。光强大小由光强探测器测得。,开路电压，短路电流与光强关系测试原理图,室温下，插入光强探测器依次测量各光强档位对应的光强 值，并记录。 取出光强探测器，放入太阳能电池片，选择光强档位，按图13原理图依次测量开路电压，短路电流，并列表记录数据。 依次改变光强档位，按图13原理图依次测量开路电压，短路电流，并列表记录数据。 更换太阳能电池片，重复步骤。,22,（3）太阳能电池光强实验 不加载滤色片，在三种不同光强下测量单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池片的IV特性(原理见图12)，得到不同光强下的IV特性曲线、开路电压、闭路电流数据。比较不同光强下伏安特性的差异 实验步骤： 插入光强探测器，选择光强档位为1档，温度为室温。列表记录当前光强值。 改变光强档位为2档，测量当前档位光强值并记录。 改变光强档位为3档，测量当前档位光强值并记录。 取出光强探测器，放入太阳能电池片，选择光强档位为1档，改变太阳能电池片的负载电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I 更换太阳能电池片，重复步骤。 选择光强档位为2档，改变太阳能电池片的负载电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I。 更换太阳能电池片，重复步骤。 选择光强档位为3档，改变太阳能电池片的负载电阻值，列表记录太阳能电池的输出电压V和电流I。 更换太阳能电池片，重复步骤。,（4）太阳能电池光谱灵敏度实验 实验内容：最大光强下，室温环境下，加载不同滤色片，用光强探测器测量透过滤光片后太阳能电池片处的光强值（），测量加载滤光片后单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池片的短路电流I（），则太阳能电池的光谱响应值R（）=I（）/（），通过原理中所述比对法就可以进行光谱响应曲线的绘制。 实验步骤： 插入光强探测器，光强档位选择为光强最大档位，温度为室温。记录当前光强值。 更换滤光片为395。 插入光强探测器，测量加载滤光片后光强值，取出光强探测器，依次放入各太阳能电池片，测试其短路电流，列表记录数据。 依次更换滤光片为490nm、570nm、660nm、710nm、770nm 、900nm、1035nm，重复步骤。 放入太阳能电池片，设定制冷腔温度值T1,T1范围为-10-40。当制冷腔温度稳定后，依次更换7种滤光片，测量每种滤光片下太阳能电池片的短路电流并列表记录数据。,24,一、氙灯光源 1.机箱内有高压，非专业人员请勿打开，否则易造成触电危险 2.