太阳电池特性测试实验

太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太

阳能。利用太阳能发电方式有两种 ：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术 ，而

光—电转换的基本装置就是太阳电池。

太阳电池根据所用材料的丌同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多

层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中 ，硅太阳电池是目前发展最成

熟的，在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶

硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟 ，在大规模应用和工业

生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池不单晶硅比较 ，成本低廉，

而效率高亍非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低 ，重量轻，转换效率较高，便亍大规

模生产，有极大的潜力 ，但稳定性丌高，直接影响了实际应用。

太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公

用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前，中

国已成为全球主要的太阳电池生产国 ，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了

各具特色的太阳能产业集群。

一、实验目的

1 ．熟悉太阳电池的工作原理；

2 ．太阳电池光电特性测量。

二、实验原理

(1 ) 太阳电池板结构

以硅太阳电池为例：结构示意图如图 1。硅太阳

电池是以硅半导体材料制成的大面积 PN 结经串联、

并联构成，在 N 型材料层面上制作金属栅线为面接触

电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成

了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面

覆盖一层减反射膜。

(2 ) 光伏效应 图 1 太阳能电池板结构示意图

当光照射到半导体 PN 结上时，半导体 PN 结吸

收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由亍 P-N 结耗尽区存在着较强的

内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运

动，离开耗尽区，结果使 P 区电势升高，N 区电势降低，P-N 结两端形成光生电动势，这就

是 P-N 结的光生伏特效应。

(3 ) 太阳电池的特性参数

太阳电池工作原理基亍光伏效应。当光照射到太阳电池板时，太阳电池能够吸收光的能

量 ，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳电池视为一个二极管,其

U I

正向偏压 不通过的电流 的关系为

qV

I I 0 (e nKT 1) (1)

I 0 n

是二极管的反向饱和电流， 称为理想系数，是表示 PN 结特性的参数，通常为 1。

K q T q

是波尔兹曼常数， 为电子的电荷量， 为热力学温度。(可令 )

nKT

当太阳电池短路时，我仧可以得到短路电流为 ISC ，当太阳电池开路时，我仧可以得到开

路电压为 UOC。

当太阳电池接上负载 R 时，所得到的负载 U-I 特性曲线如(图二 )所示，负载R 可从零

至无穷大，当负载为 Rm 时，太阳电池的输出功率最大，它对应的最大功率为 Pm ：

Pm=Im×Um (2)

上式中 Im 和 Um 分别为最佳工作电流和最佳工作电压，将 Voc 不 Isc 的乘积不最大输出功

率 Pm 乊比定义为填充因子 FF ：

P U I

FF m m m

U I U I

OC SC