1、實驗報告太陽能電池伏安特性的測量【實驗目的】1. 了解太陽能電池的工作原理及其應用2. 測量太陽能電池的伏安特性曲線【實驗原理】1太陽電池的結構以晶體硅太陽電池為例，其結構示意圖如圖1 所示晶體硅太陽電池以硅半導體材料制成大面積pn 結進行工作一般采用n+/p 同質結的結構，即在約10 cm×10 cm 面積的p 型硅片（厚度約500 m）上用擴散法制作出一層很薄（厚度0.3 m）的經過重摻雜的n 型層然后在n 型層上面制作金屬柵線，作為正面接觸電極在整個背面也制作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極這樣就形成了晶體硅太陽電池為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜圖一 太陽

2、電池結構示意圖2光伏效應圖二 太陽電池發電原理示意圖當光照射在距太陽電池表面很近的pn 結時，只要入射光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度Eg ，則在p區、n 區和結區光子被吸收會產生電子空穴對那些在結附近n 區中產生的少數載流子由于存在濃度梯度而要擴散只要少數載流子離pn 結的距離小于它的擴散長度，總有一定幾率擴散到結界面處在p 區與n 區交界面的兩側即結區，存在一空間電荷區，也稱為耗盡區在耗盡區中，正負電荷間形成一電場，電場方向由n區指向p 區，這個電場稱為內建電場這些擴散到結界面處的少數載流子（空穴）在內建電場的作用下被拉向p 區同樣，如果在結附近p 區中產生的少數載流子（電子）擴散到結界

3、面處，也會被內建電場迅速被拉向n 區結區內產生的電子空穴對在內建電場的作用下分別移向n 區和p 區如果外電路處于開路狀態，那么這些光生電子和空穴積累在pn 結附近，使p 區獲得附加正電荷，n 區獲得附加負電荷，這樣在pn 結上產生一個光生電動勢這一現象稱為光伏效應（Photovoltaic Effect, 縮寫為PV）3太陽電池的表征參數太陽電池的工作原理是基于光伏效應當光照射太陽電池時，將產生一個由n 區到p 區的光生電流Iph同時，由于pn 結二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從p 區到n 區，與光生電流相反因此，實際獲得的電流I 為 （1）式中VD 為結電壓，I0 為二極管

4、的反向飽和電流，Iph 為與入射光的強度成正比的光生電流，其比例系數是由太陽電池的結構和材料的特性決定的n 稱為理想系數（n 值），是表示pn 結特性的參數，通常在12之間q 為電子電荷，kB 為波爾茨曼常數，T 為溫度如果忽略太陽電池的串聯電阻Rs，VD 即為太陽電池的端電壓V，則（1）式可寫為 （2）當太陽電池的輸出端短路時，V = 0（VD 0），由（2）式可得到短路電流 即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強度成正比當太陽電池的輸出端開路時，I = 0，由（2）和（3）式可得到開路電壓 （3）當太陽電池接上負載R 時，所得的負載伏安特性曲線如圖2 所示負載R 可以從零到無窮大當

5、負載Rm 使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應的最大功率Pm 為（4）式中Im 和Vm 分別為最佳工作電流和最佳工作電壓將Voc 與Isc 的乘積與最大功率Pm 之比定義為填充因子FF，則 （5）FF 為太陽電池的重要表征參數，FF 愈大則輸出的功率愈高FF 取決于入射光強、材料的禁帶寬度、理想系數、串聯電阻和并聯電阻等太陽電池的轉換效率 定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能Pin 之比，即（6） 圖三 太陽電池的伏安特性曲線4太陽電池的等效電路圖四 太陽電池的等效電路圖太陽電池可用pn 結二極管D、恒流源Iph、太陽電池的電極等引起的串聯電阻Rs 和相當于pn 結泄漏電流的

6、并聯電阻Rsh 組成的電路來表示，如圖3 所示，該電路為太陽電池的等效電路由等效電路圖可以得出太陽電池兩端的電流和電壓的關系為 （7）為了使太陽電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯電阻Rs，增大并聯電阻Rsh【實驗數據記錄、實驗結果計算】實驗中測得的各個條件下的電流、電壓以及對應的功率的表格如下：60cm80cm80cm串聯80cm并聯電流電壓功率電流電壓功率電流電壓功率電流電壓功率10.53112.159.4109000.3062.718.810.70140.898.5621.49102.9153.30.4386.137.021.8760.7113.51.70132.5225.232.399

7、6.2229.91.4777.2113.43.3159.3196.32.67122.9328.143.2888.4289.92.4768.8169.94.7757.4273.83.76112.4422.654.2482.5349.82.9465.5192.66.3055.4349.04.73102.1482.964.7677.4368.43.5761.3218.87.7853.0412.35.4993.6513.975.3072.9386.44.1257.8238.19.3650.3470.85.9788.8530.185.5970.6394.74.7753.2253.810.846.2499

8、.06.2285.0528.795.8567.5394.95.2450.026211.9543.7522.26.5181.8532.5106.2763.9400.75.5148.2265.612.5742.1529.26.8779.1543.4116.5961.5405.35.6946.7265.713.1641.1540.97.1876.9552.1126.7860.2408.25.9045.2266.713.7040.0548.07.3574.9550.5136.9658.9410.06.0643.7264.814.2038.9552.47.4473.6547.6147.1157.7410

9、.26.4941.1266.715.0037.1556.57.5072.3542.2157.2656.5410.26.9038.0262.215.4335.9553.97.5970.7536.6167.3755.3407.67.5532.8248.215.8334.3543.07.9265.3517.2177.7652.3405.87.9128.8227.816.0433.4535.78.1160.6491.5188.1250.1406.88.1723.7193.616.4331.3514.38.3154.4452.1198.4844.6378.28.3818.0150.816.729.148

10、6.08.4350.0421.5208.6839.5342.98.5612.8109.616.8527.0455.08.5645.2386.9218.8334.8307.38.737.9068.9717.0125.2428.78.7039.9347.1229.0625.5231.08.990017.3222.7393.28.7934.9306.8239.2715.4142.817.5220.1352.28.8930.3269.4249.408.579.917.6817.3305.99.0222.3201.1259.680017.7616.1285.99.1514.7134.52618.6900

11、9.228.376.53279.3600282930表11. 根據以上數據作出各個條件下太陽能電池的伏安特性曲線2. 各個條件下，光伏組件的輸出功率P隨負載電壓V的變化【對實驗結果中的現象或問題進行分析、討論】各個條件下太陽能電池的伏安特性曲線圖的分析與討論 從圖中的曲線可以明顯看出：1. 光照距離越近，也即是光強越大，電池產生的電動勢越大（但不能斷定是否有上界）；2. 研究電動勢的大小，兩個電池并聯，電動勢幾乎不變，電池串聯，電動勢大致增大一倍；3. 研究電池電阻的大小，在I-V圖里，函數線越陡，電阻越小，函數線越平坦，電阻越大。在圖中可以看出：串聯電池使得電池的總電阻倍增，而并聯使得電池的

12、總電阻減小；光照強度越大，電池的電阻越小（但應有下界），光照強度越大，電池的電阻越大。4. 研究電池的短路電流（這里以圖中的各個最大電流作為短路電流），電池的并聯使得短路電流增大，串聯使得短路電流減小（這是由于內阻串并聯的原因）；光照強度越大，短路電流越大，光照強度越小，短路電流越小（從太陽能電池的原理可知：光照強度決定了光生電流的大小，從而決定了短路電流和電動勢的大小）。各個條件下輸出功率P隨負載電壓V的變化曲線圖的分析與討論 1. 雖然各個曲線不是特別平滑，但對于最大輸出功率的測量還是很成功的，因為在每條曲線的最高點附近所測量的數據點都足夠多，這樣對最大功率的估計的準確度有很好的幫助。 2

13、. 研究個條件下的最大功率的大小，可以看出：雙電池供電（不論是串聯還是并聯）都會提高電池總輸出功率；光照強度越大，輸出功率也越大，光照強度越小，輸出功率也越小。 3. 研究達到最大功率時的電壓Um，從圖中可以看出：光照強度越大，Um也就越大，光照強度越小，Um相對偏小；電池并聯對Um的改變不大，而電池串聯會明顯加大Um（個人認為這跟電池電阻在總電路中的比重有關）。各個量的統計 Isc/mAUoc/VPm/mWIm/mAUm/vRm/歐FF60cm112.19.68410.257.77.11123.20.37880cm86.18.99266.745.25.90130.50.34580cm串聯62

14、.718.69556.537.115.0404.30.47580cm并聯140.89.36552.176.97.1893.40.419說明：1. 由于本組成員在做實驗時的疏忽，并未直接測量各個條件下的短路電流，在這里以測量電壓最小時的電流作為短路電流；2. 由于這里的短路電流是測量電壓最小時的電流，所以由函數特性可知，真正的短路電流比這里的Isc要大，由此使得最終的FF值比理論值偏大；分析：1. 從測得的FF數據可以看出，太陽能電池的填充因子并不大，這也使得太陽能電池的實際轉換效率比較低，所以提高FF是太陽能電池研發的一個重要方向；2. 從Rm的比較可以看出，光照越強，則Rm偏小，但應該有一個

15、下界，串聯使得Rm大大增大，而并聯使得Rm有所減小；3. 關于Pm和Um的比較已在前面做出了分析。【附頁】1. 可以看出，我在實驗原理的這一部分基本copy了網上的預習資料，此部分實際上并非自己的東西（對于其他同學也不是），于是我特意將實驗原理的部分的字體縮小，以減小實驗的篇幅，并將重點放在了原理后面的各個部分。2. 大學物理實驗在本實驗部分里并未設置思考題（其他的實驗都設置了），我覺得一個實驗如果僅僅是做了而不去深入思考，那僅僅是練手而已，幾乎等于白做。所以在這里給出一些自己對該實驗的一些思考。 在實際測量電流和電壓的數據點時，如何把握在Pm附近點的測量？這是一個十分實際的問題，它直接關系到

16、最后Pm的值，如果在Pm附近的數據點測量得比較少（比如只有一兩個點），那么對Pm的估計會有很大的誤差；相反，如果在Pm附近的數據點測得比較多，使得P-U曲線的頂峰上有比較多的數據點，那么對Pm的估計是十分準確的。于是，我們應該在測量數據接近Pm點時意識到應該在該區域加密數據的測量。 那么如何判斷Pm會出現在哪個區域呢？在正式測量開始之前先對測量范圍內的幾個U、I點進行測量，由此可由二分逼近法得到一個Pm的大概區域，這個區域一般在1V到2V寬比較適合。接下來測量數據時，當測量點進入該區域時，根據實際情況縮小測量間隔，在該區域里多測幾組數據，出了該區域之后再加寬測量間距。 關于萬用表示數顯示問題

17、該實驗中的萬用表在測量數據時，最后以為總是跳躍不停，究其原因，我認為不是萬用表自己的問題，而是太陽能電池本身產生的電流不是絕對穩定所造成的。對于不斷跳躍的尾數，老師建議的方法是：同時按下電流表和電壓表的hold鍵，記下對應的兩個數。可以知道，萬用表的尾數的跳躍范圍在3到5左右，也就是說瞬間前后的按下hold鍵所測得的數據可能相差了0.05V或0.5mA，所以在實際測量數據時，數據點的間隔至少應該是0.1V或0.5mA，否則測量的數據是沒有意義的。其實實際上如果測量數據的間距真有如此小，那在Origin上的兩點也幾乎完全重合。【感想】 先來說說自己在做這個實驗時的情況吧。我不敢說我做實驗是不是有

18、一種什么狀態在影響我（想運動員的狀態起伏一樣），但今天的實驗狀態真的不是很好。自己到了實驗室才發現自己精心做的實驗預習報告丟在了寢室，不得不出去再打印一份。在老師講解實驗的各個細節時，我承認自己也沒有專心聽講，雖然自己預習了這個實驗，但是由于沒專心聽講，導致我們小組在實驗開始時不知所措。后來我們加快了進度，并與對面的小組一起做了電池的串聯和并聯環節。最后為了得到最好的數據，我們小組又重做了60cm和80cm。但是我們忘記了實驗的一個重要的細節，就是Isc的直接測量。 對于這個疏忽，我想我應該承擔責任。我敢說我在當天是認認真真預習了這個實驗的，不管是書還是網上的資料，我都認真的學習過，對于Isc測量當然也沒放過。但是在測量數據時，我就是忘記了Isc的直接測量法，我以為Isc就是函數線在I軸上的截距。這導致我的同組同學張家鵬和我一樣的錯誤。 我甚至想到了要篡改實驗數據，但我覺得應該勇敢面對自己的錯誤，勇于承認，才能真正汲取教訓，才能在以后的實驗中不凡同樣的低級