太阳能光伏电池测试与分析报告.doc

Harbin Institute of Technology近代光学创新实验实验名称：太阳能光伏电池测试与分析 院 系：专 业：姓 名：学 号：指导教师：实验时间：某某工业大学一、实验目的1、了解pn结根本结构和工作原理；2、了解太阳能电池的根本结构，理解工作原理；3、掌握pn结的IV特性与IV特性对温度的依赖关系；4、掌握太阳能电池根本特性参数测试原理与方法，理解光源强度、波长、环境温度等因素对太阳能电池特性的影响；5、通过分析PN结、太阳能电池根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二、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导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境〔如温度、光照等〕发生剧烈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展必要的掺杂处理，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型半导体的根底区域，太阳能电池本质上就是pn结。

常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结，如图1所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应光生伏特效应是半导体材料的一种通性当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势如果构成适当的回路就会产生电流这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体pn结是典型的一个例子N型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的不同的制备方法导致不同的杂质分布特征图1 Si pn结太阳能电池结构示意图根据半导体物理学的根本原理我们知道，处于热平衡态的一个pn结结构由p区、n区和两者交界区域构成为了维持统一的费米能级，p区内空穴向n区扩散，n区内空穴向p区扩散这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏，p区积累了带有负电的不可动电离受主，n区积累了不可能电离施主载流子扩散运动的结果导致p区负电，n区带正电，在界面附近区域形成由n区指向p区的内建电场和相应的空间电荷区。

显然，两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，p区和n区两端产生一个高度为qVD的势垒理想pn结模型下，处于热平衡的pn结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用如图2所示，当有入射光垂直入射到pn结，只要pn结结深比拟浅，入射光子会透过pn结区域甚至能深入半导体内部如果如何光子能量满足关系〔Eg为半导体材料的禁带宽度〕，那么光子会被材料本征吸收，在pn结中产生电子孔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光生载流子对p区空穴和n区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计但是对少数载流子将产生显著影响，如p区电子和n区空穴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在pn结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场内建电场的驱动下p区光生少子电子向n区运动，n区光生少子空穴向p区运动这种作用有两方面的表现，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，也就是光生电动势上述的分析我们发现光照射pn结会使得pn结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在pn结两端施加正向电压这种情况下的pn结就是一个光电池开路下pn结两端的电压叫做开路电压Voc，闭路下这种pn结等价于一个电源，对应的电流Isc称为闭路电流光生伏特效应是太阳能电池的核心原理，它的机制就是光能转化为电能，开路电压和闭路电流是两个根本的参数图2中EC为半导体电带，EV为半导体价电带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简单的处理方式是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图2 光辐照下的pn结根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件太阳能电池IV曲线不对称，这就是pn结的单向导通性或者说整流特性对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。

温度对半导体器件的影响是这类器件的通性根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为：由此可见随着温度，反向饱和电流随着指数因子迅速增大且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈半导体材料禁带宽度是温度的函数，其中为绝对零度时候的带隙宽度设有，Vg0是绝对零度时导带底和价带顶的电势差由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为：显然正向电流在确定外加电压下也是随着温度而增大的3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系〔光特性〕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qVD－qV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3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结电流为图3 太阳能电池等效电路图随着二极管正偏，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根据图3的等效电路图有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的其一是负载电阻RL＝0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，pn结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流IscI=ISC=IL其二是负载电阻，外电路处于开路状态流过负载电阻电流为零，根据等效电路图3，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压Voc就是所谓的开路电压显然有得到开路电路电压VOC为图4 太阳能电池最大功率矩形开路电压Voc和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数式增大从半导体物理根本理论不难得到这个结论此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn结势垒为零时的电压值换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒高度VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。

实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当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：其中在I－V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形如图4光特性I－V曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压最大功率矩形取值点pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I－V曲线上坐标相乘的最大值点闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7～0.8之间太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的局部才会实现能量的转化。

Si太阳能电池的最大效率大致是28％左右对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、外表保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在10％～15％之间为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可能采取的方法中通过光学透镜集中太阳光是有效的太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉，因为透镜集中也是一个有优势的技术选择图5 实测太阳能电池暗特性曲线图5给出了对某种商用太阳能电池板室温下〔25℃〕实际测量得到的暗特性I－V曲线图6 实测太阳能电池光特性曲线图6是对某种商用太阳能电池板室温下〔25℃〕、150W氙灯光源直接照射下得到的光特性I－V曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图三、实验设备设备采用整体箱式，所有元件都集中在一个箱体中，无外在别离结构包括光源与太阳能电池、光路和外电路三个局部1、光源与太阳能电池局部采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征光源标称功率750W2、光路局部 本设备光路简洁，有光源、滤色片、光强探测器构成。

滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能的光谱响应特性光强探测器标定入射光强度3、 外电路外电路包括光源驱动电路、温度控制电路和测试分析电路三局部光源驱动电路用于氙灯的点燃和轴流风冷温控电路用于太阳能电池片的温度控制，加热采用电阻丝加热，冷却采用两级半导体冷堆方式可在60℃~150℃X围内对样品进展特性测量测试分析电路提供测试分析仪表的工作电压四、实验内容与步骤1、太阳能电池暗特性测试暗特性测试不需要开启光源 测试反偏电压V下通过太阳能电池的电流I；测试正向偏压下通过太阳能电池的电流I汇总测试数据形成I－V特性曲线根据实验时间安排测量不同温度下的特性曲线根据理想pn结电流电压方程对正偏实验数据进展拟和实验结果：汇总正向偏压数据形成的I-V特性曲线如如下图：取特性曲线上两点〔3000，20000〕，〔3300，60000〕由，其中为常数，可得=273mV，IS=0.34μA，即拟合函数。