1、太陽能電池性能的研究目前能源的重要性越來越被人們所重視，由于煤、石油、天然氣等主要能源的大量消耗，能源危機已經成為世界關注的問題。為了可持續性發展，人們大量開發了諸如風能、水能等清潔能源，其中以太陽能電池作為綠色能源的開發前景較大。本實驗儀器旨在提高學生對太陽能電池基本特性的認識、學習和研究。一、 實驗目的（1） 了解太陽能電池的工作原理及性能；（2） 學習太陽能電池性能的測量與研究方法。二、 實驗儀器LB-SC太陽能電池實驗儀、太陽能電池板、連線若干、60W白熾燈、擋板。三、 實驗原理太陽能電池又叫光伏電池，它能把外界的光轉為電信號或電能。實際上這種太陽能電池是由大面積的PN結形成的，即在N

2、型硅片上擴散硼而形成的P型層，并用電極引線把P型和N型層引出，形成正負電極。為防止表面反射光，提高轉換效率，通常在器件受光面上進行氧化，形成二氧化硅保護膜。短路電流和開路電壓是太陽能電池的兩個非常重要的工作狀態，它們分別對應于負載電阻和的情況。在黑暗狀態下太陽能電池在電路中就如同二極管。因此本實驗要測量出太陽能電池在光照狀態下的短路電流Isc和開路電壓Uoc，最大輸出功率PM和填充因子FF以及在黑暗狀態下的伏安特性。在U = 0情況下，當太陽能電池外接負載電阻時，其輸出電壓和電流均隨變化而變化。只有當取某一定值時輸出功率才能達到最大值，即所謂最佳匹配阻值，而則取決于太陽能電池的內阻。由于Uoc

3、和均隨光照強度的增強而增大，所不同的是Uoc與光強的對數成正比，與光強(在弱光下)成正比 ，所以亦隨光強度變化而變化。Uoc、和都是太陽能電池的重要參數。最大輸出功率與Uoc和乘積之比，可用下式表示 (1)式中FF是表征太陽能電池性能優劣的指標，稱為填充因子，填充因子一般在0.50.8之間。黑暗狀態下的太陽能電池工作如圖1所示 此時加在它上面的正向偏壓U與通過的電流I之間關系式為： （2）式中I0和是常數，I0為太陽能電池反向飽和電流， = 1.38x10-23x300/1.602X10-19 = 2.6*10-2 V-1 。在光照狀態下，如果設想太陽能電池是由一個理想電流源、一個理想二極管、

4、一個并聯電阻Rsh與一個電阻RS所組成，那么太陽能電池的工作如圖2 所示 圖2中Iph為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，Id為光照時，通過太陽能電池內部二極管的電流。由基爾霍夫定律得： （3） （3）式中，I為太陽能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（4）式可得 （4）假設 和 太陽能電池可簡化為圖3所示這里，。在短路時，而在開路時，；可以得到： （5）（5）式即為在和的情況下，太陽能電池的開路電壓Uoc和短路電流ISC的關系式。其中Uoc為開路電壓，ISC為短路電流。四、 實驗裝置1、 本儀器采用立式結構，以防止橫置光源對其他學生的影響；2、 光源采用白熾燈，光強5檔可調，更換方便；3、

5、 太陽能電池板4塊：其中單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池各2塊(單晶硅太陽能電池和多晶硅太陽能電池的性能基相同。單晶硅太陽能電池的平均轉換效率比多晶硅太陽能電池的平均轉換效率高)；4、 太陽能電池開路電壓最大5V, 短路電流最大80mA，負載電阻10K可調，加載電壓0 5V 可調；5、 太陽能電池板俯仰可調，可模擬陽光在不同照射角度下對太陽能電池板吸收功率的影響。五、 實驗內容和步驟1在光照狀態下太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大輸出功率Pm，最佳負載及填充因子FF的測量；（1）打開電機箱電源，將控制白熾燈電源的“開燈/關燈”開關置于“開燈”，并把“亮度調節”旋鈕調到最小；（2

6、）將太陽能電池的插頭用線連接到電機箱的相同顏色插頭上（注意連接插頭時要連接同一塊電池板的兩個插頭），將“明暗狀態開關”撥到“明狀態”，加載電壓調到0v，“負載調節”（負載電阻）旋鈕逆時針調到最小，此時電流表上有電流顯示，這是外界光產生的本底光電流；(3) 將燈源亮度調到擋位置，逆時針調節負載電阻旋鈕到最小，測出太陽能電池的短路電流Isc，順時針調節負載電阻旋鈕到最大，測出太陽能電池的開路電壓Uoc;(4) 將燈源亮度調到擋位置，調節負載電阻，由最小逐漸調到最大，可以看見光電流及負載電壓的變化，負載電壓每隔0.2V左右測量負載的電壓和電流值。 2. 太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc與相

7、對光強關系的測量分別將“負載調節”旋鈕（負載電阻）調到最小和最大，改變白熾燈光強度(旋轉“亮度調節”旋鈕)，分別記錄下短路電流和開路電壓。白熾燈光強度刻度分有、和擋，相對光強分別對應20%、40%、60%、80%和100%。3. 不同角度光照下的太陽能電池板輸出功率的測量將燈源亮度調到擋位置，將“負載調節”旋鈕（負載電阻）固定在負載電壓V=1.30V=1.50伏之間，測量太陽能電池板在不同俯仰角時的電流和電壓值。比較不同照射角度對太陽能電池板輸出的影響。4. 太陽能電池板的串聯并聯特性的研究 （1）串聯 將兩個太陽能電池對應的紅黑插座用插線串聯起來（用插線將左邊的太陽能電池的黑插座連到右邊太陽

8、能電池的紅插座上，并將剩余的兩個插座與機箱上對應顏色的插座連接起來）， 此時重復光照狀態下的測試實驗，觀察在最大照明狀態下單個太陽能電池板的開路電壓、短路電流與串聯時的區別。并思考實際開路電壓與理論上的不同之處。注意串聯光電池應該是同一種類的。（2）并聯將每個太陽能電池對應的紅黑插座用插線并聯起來（用插線將左邊的太陽能電池的插座連到右邊太陽能電池相同顏色的插座上，將太陽能板上的插座與機箱上對應顏色的插座連接起來），此時重復光照狀態下的測試實驗，觀察在最大照明狀態下單個太陽能電池板的開路電壓、短路電流與并聯時的區別。并思考實際短路電流與理論上的不同之處。注意并聯光電池應該是同一種類的。5. 太陽

9、能電池的伏安特性曲線的研究在沒有光照的情況下，測量在正向偏壓的情況下，太陽能電池的伏安特性曲線。 關閉白熾燈，用遮光板將太陽能電池完全蓋住，將“明暗狀態開關”撥到“暗狀態”，太陽能電池處于全暗狀態，把可調負載電阻調到最大，此時負載電壓u2是負載電阻兩端電壓，太陽能電池兩端電壓u等于加載電壓U1減去負載電壓U2。將加載電壓U1從0開始逐漸增大，觀察負載電壓u2和電流值，當負載電壓u2或電流值不為零時開始測量，加載電壓每隔0.2V左右測量負載電壓u2和電流值，要求不少于10個測量點。此時太陽能電池如同一個二極管的工作。六、 數據表格及數據處理1. 太陽能電池填充因子的測量表1 不同負載電阻時的負載

10、電壓和光電流的測量本底光電流I0 = （mA）短路電流Isc= ( mA ) 開路電壓Uoc= ( V )負載電壓U/V光電流I/mA負載電阻（K）R=U/I功率P（mW）P=IU計算出不同負載電阻時的功率數值，并繪制出負載電阻（K）與功率P（mW）的關系曲線，在曲線上找出功率最大值和對應的最佳負載R，利用公式（）計算出太陽能電池的填充因子。2. 太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc與相對光強關系的測量表2 光強比與開路電壓、短路電流的測量光強比值ISC /mAUoc/V1020()3040()5060()7080()90繪制3種關系曲線（光強比與開路電壓、光強比與短路電流以及開路電壓與

11、短路電流），分析它們之間的相互關系。求出近似函數關系并對比開路電壓和短路電流的關系。3. 不同角度光照下的太陽能電池板的電壓、電流的測量表3 不同俯仰角時的電壓、電流的測量角度負載電壓V（V）電流I（mA）輸出功率（mW）P=IV10º20º30º40º50º繪制出不同角度光照下的太陽能電池與輸出功率的關系曲線 P 。4. 太陽能電池串并聯的測量1號多晶2號多晶3號單晶4號單晶多晶串聯多晶并聯單晶串聯單晶并聯開路電壓V短路電流mA表4太陽能電池串并聯時電壓、電流的測量5. 太陽能電池的伏安特性曲線的測量表5 正向偏壓時，太陽能電池電壓與電流的測量加