实验 太阳电池伏-安特性的测量

太阳电池(Solar Cells)，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件．由

这种器件封装成太阳电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方

阵，经与储能装置、测量控制装置及直流-交流变换装置等相配套，即构成太阳电池发电系

统，也称为之光伏发电系统．它具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、

使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点．世界上第一块实用型半导体太

阳电池是美国贝尔实验室于1954 年研制的．经过人们40 多年的努力，太阳电池的研究、

开发与产业化已取得巨大进步．目前，太阳电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、

少电地区及某些特殊领域(通信设备、气象台站、航标灯等)的重要电源．随着太阳电池

制造成本的不断降低，太阳能光伏发电将逐步地部分替代常规发电．近年来，在美国和日

本等发达国家，太阳能光伏发电已进入城市电网．从地球上化石燃料资源的渐趋耗竭和大

量使用化石燃料必将使人类生态环境污染日趋严重的战略观点出发，世界各国特别是发达

国家对于太阳能光伏发电技术十分重视，将其摆在可再生能源开发利用的首位．因此，太

阳能光伏发电有望成为21 世纪的重要新能源．有专家预言，在21 世纪中叶，太阳能光伏

发电将占世界总发电量的15% ~ 20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有

一定的地位．

【实验目的】

1．了解太阳电池的工作原理及其应用；

2．测量太阳电池的伏–安特性曲线．

【实验原理】

1．太阳电池的结构

以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1 所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制

成大面积pn 结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10 cm×10cm面积的p型硅片(厚度约500 μm)上用扩散法制作出一层很薄(厚度~0.3μm)的经过重掺杂的n 型层．然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．

2．光伏效应

当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n 区中

产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩

散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间

电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p区，

这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内建电场的作用下

被拉向p 区．同样，如果在结附近p 区中产生的少数载流子(电子)扩散到结界面处，也

会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n

区和p区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p 区

获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称

为光伏效应(Photovoltaic Effect, 缩写为PV)．

3．太阳电池的表征参数

太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的

光生电流Iph．同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p

区到n区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I 为

式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，

其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n 称为理想系数(n值)，是表示pn

结特性的参数，通常在1~2之间．q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为温度．

如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则(1)式可写为

当太阳电池的输出端短路时，V = 0(VD ≈ 0)，由(2)式可得到短路电流

即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路

时，I = 0，由(2)和(3)式可得到开路电压

当太阳电池接上负载R 时，所得的负载伏–安特性曲线如图2 所示．负载R 可以从零

到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为

式中Im 和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之

比定义为填充因子FF，则

FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．FF取决于入射光强、材料的

禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．太阳电池的转换效率h 定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin 之比，即

4．太阳电池的等效电路

太阳电池可用pn 结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn 结

泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3 所示，该电路为太阳电池的等效电路．由

等效电路图可以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为

为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．

【实验仪器】

1．太阳能光伏组件，功率为5瓦．

2．辐射光源，300 瓦卤钨灯．

3．数字万用表，2 个．

4．，可变电阻2 个，接线板．

【实验内容】

图3 太阳电池的等效电路

1．将太阳能光伏组件，数字万用表，负载电阻通过接线板连接成回路，改变负载电阻R，测量流经负载的电流I和负载上的电压 V，即可得到该光伏组件的伏–安特性曲线．测量过程中辐射光源与光伏组件的距离要保持不变，以保证整个测量过程是在相同光照强度下进行的．

2．分别测量以下几种条件下光伏组件的伏安特性曲线：

(1)辐射光源与光伏组件地距离为60 cm；

(2)辐射光源与光伏组件地距离为80 cm；

(3)辐射光源与光伏组件地距离为80 cm，将两组光伏组件串联；

(4)辐射光源与光伏组件地距离为80 cm；，将两组光伏组件并联．

3．用坐标纸或计算机绘图软件画出不同条件下：

(1)光伏组件的伏–安特性曲线；(2)光伏组件的输出功率P随负载电压 V 的变化；

(3)光伏组件的输出功率P 随负载电阻R 的变化．确定不同条件下光伏组件的短路电流Isc，开路压Voc，最大功率Pm，最佳工作电流Im、工作电压Vm及负载电阻Rm，填充因子FF，并将这些实验数据列在一表格内进行比较．

【注意事项】

1．辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触．

2．辐射光源的供电电压为220V，应小心触电．