太阳能电池探究亮特性光照强度关系.doc

大学物理科学与技术学院大学物理综合实验训练论文实验名称：太阳能电池探究亮特性光照强度关系班级：物教1201班：清华**：120801117指导教师：俊来太阳能电池探究亮特性光照强度关系物教1201 清华 指导教师：俊来摘要：本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进展了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%填充因子随着光强的增加减小关键词：太阳能电池;输出特性；光强特性一 、研究背景随着经济社会的不断开展，能量与能源问题的重要性日益凸显人类对能源的需求，随着社会经济而急剧膨胀，专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤，并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持就目前情况，全球化石能源储藏只能维持100年左右太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续开展不得不考虑的能源方式太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，而地球上人类一年的能源总需求到达约4.363×1020焦耳，也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。

太阳能是最为清洁的能源，并且不受任何地域限制，随处可取此外，将太阳能转换为电能后，电能又是应用围最广，输送最方便的一种能源太阳能一般指太的辐射能量我们知道在太阳部无时无刻不在进展着氢转变为氦的热核反响，反响过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间太阳释放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的畴太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产本钱,使晶体硅太阳电池能与常规能源进展竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具开展潜力的新能源光伏发电是解决能源危机，实现能源可持续开展的重要途径之一硅太阳能电池是当今市场的主流产品，其最高效率是24.7%，由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今继续提高转换效率十分困难，但电池的效率会随温度和光强变化而变化因此，研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的二、太阳能光伏电池实验（一） 实验目的1.了解pn结的根本构造与工作原理2.了解太阳能电池组件的根本构造，理解其工作原理3.掌握pn结的I-V特性〔整流特性〕及其对温度的依赖关系。

4.掌握太阳能电池根本特性参数测试原理与测试方法，理解波长因素对太阳能电池输出特性的影响5.通过分析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 太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置只要被光照到，瞬间就可输出电压及电流在物理学上称为太阳能光伏(Photovoltaic，photo 光线，voltaics 电力，缩写为PV)，简称光伏以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿式太阳能电池则还处于萌芽阶段1.pn结与光生伏特效应 半导体材料是一类特殊的材料从宏观电学性质上说，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，随外界环境〔如温度、光照等〕发生剧烈的变化从材料能带构造说，这类材料具有导带Ec、价带Ev和禁带Eg温度、光照等因素可以使价带垫子跃迁到导带，改变材料的电学性质半导体材料进展有必要的掺杂处理，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贺信构造通常是pn结，简单地说，pn结就是p型半导体和n型半导体接触形成的根底区域。

太阳能电池，本质上就是pn结图1 pn结形成 上图为刚接触时，下列图为到达平衡情况n型半导体是在4价硅中掺入5价杂志，杂技原子与相邻原子组成共价键后，尚多余一个电子，故电子为多数载流子，5价原子称为施主杂质杂志原子差不多都是电离的，施主杂技电离后因失去一个电子二成为正离子P型半导体是在4价硅中掺入3价杂质，杂技原子与相邻原子组成共价键，尚缺少一个电子，故空穴为多数载流子，3价原子称为受主杂质杂志原子差不多都是电离的，受主杂技电离后因得到一个电子而成为负离子根据半导体根本理论，处于热平衡态的pn结由P区、n区和两者交界区域构成，如图1所示刚接触时，电子由费米能级低的地方流动，空穴则相反为了维持统一的费米能级，n区电子向P区扩散，P区空穴向n区扩散载流子的定向运动导致原来的电中性条件被破坏，p区累计带负电且不可移动的电离受主，n区积累带正电且不可移动的电离施主载流子扩散运动导致在界面附近区域形成由n区指向p区的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建电场而建电场的强度取决于空间电荷区的强度，见电场具有组织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建电场的作用相等，p区和n区两端产生一个高度为的势垒〔如图2〔a〕〕,(是n区高出p区的电位，即电位梯度，是能量梯度，称为势垒)理想pn结模型如下，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部如果入射光子能量满足关系hvEg(Eg为半导体材料的禁带宽度)，则这些光子会被材料吸收，在pn结中产生电子空穴对光照条件下材料体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在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兴盛显著影响，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，但它们很快就又会通过各种复合机制复合态pn结中情况有所不同，主要原因是存在建电场在建电场的驱动下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达：第一是光生少子在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，方向都是有n区指向p区，与建电场方向一致；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〔如图2〔b〕〕。

宏观的效果实在pn结两端产生电动势，也就是光生电动势光生伏特小勇即是指半导体在受到光照时在向光面和背光面之间产生电动势的现象如果构成回路就会产生电流，这种电流叫做光生电流从构造上说，常见的太阳能电池是一种浅结深、大面积的pn结〔如图3〕太阳能电池之所以能够完成光电转换过程，核心物理效应是光生伏特效应光照会使得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在这种情况下的pn结就是一个光电池将多个太阳能电池通过一定的方式进展串并联，并封装好就形成了能防风雨的太阳能电池组件〔如图4，图中EVA是ethylene vinyl acetate copolymer的缩写，中文是乙烯——醋酸乙烯共聚物，PVF是polu vinyl fluoride的缩写，中文是聚氟乙烯〕2. 太阳能电池光照时的电流电压关系——亮特性太阳能电池的亮特性是指太阳能电池在光照的条件下输出伏安特性硅太阳能电池的性能参数主要有：开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pm、转换效率η和填充因子FF光生少子在建电场驱动下的定向运动在pn结部产生了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结势垒高度降至q〔VD-V〕。

理想情况下太阳能电池负载等效电路如下列图，把光照下的pn结看作一个理想的二极管和恒流源并联恒流源的电流即为光生电流IL，IF为通过二极管的结电流，RL为外加负载可见，太阳能电池就相当于一个电源该等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流IL，其中一局部用来抵消结电流IF，另一局部供应负载的电流I有等效电路图可知： (4)光生电流在光电池部总是由N区向P区反向流动，因此太阳能电池的电流总是反向的根据上面的等效电路图，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之为短路电流Isc: (5)其二是负载电阻RL→∞，外电路处于开路状态流过负载的电流为零，根据等效电路图，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 〔6〕得到开路电压Voc为： (7)开路电压Voc和短路电流Isc是光电池的两个重要参数，实验中这两个参数分别为稳定光照下太阳能电池I-V特性曲线与电压、电流轴的截距。

不难理解，随着光照强度E增大，太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大，但是随光强变化的规律不同：根据半导体物理根本理论，短路电流Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数增大此外，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，它的最大值是使得pn结势垒高度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结的势垒对应的电势差VD，是一个材料带隙、掺杂水平等有关的值实际情况下，开路电压值Voc与Eg/q相当太阳能电池从本质上说是一个能量转换器件，它把光能转换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换过程都存在效率问题，实际发生的能量转换效率不可能是100%就太阳能电池而言，我们需要知道的是，转换效率与哪些因素有关以及如何提高太阳能电池的 转换效率太阳能电池的转换效率η定义为最大输出功率Pm和入射光的总功率Pin的比值： (8)其中，Im、Vm为最大功率点对应的工作电流、工作电压，Ee为由光探头测得的光强度〔单位：W/m2〕,S为太阳能电池片受光照射的面积〔有效光照面积〕图5为太阳能电池的输出伏安特性曲线，其中Im、Vm在I-V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。

曲线与电流、电压轴交点分别是短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曲线上横、纵坐标乘积的最大值点短路电流和开路电压也形成一个矩形，面积为IscVoc定义：为填充因子，图形中它是两个矩形面积的比值填充因子反响了太阳能电池么实现功率的度量，通填充因子在0.5~0.8之间太阳能电池的转换效率是它的最重要的参数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只有光子能量高于禁带宽度的局部才会实现能量的转化太阳能电池效率损失的原因主要有：电池说明反射、电子和空穴在光敏感层之外由于重组而造成的损失，以及光敏层的厚度不够等因素综合来看，单晶硅太阳能电池的最大量子效率的理论值大约是40%实际上，大规模生产的太阳能电池的效率还达不到理论极限的一半，只有百分之十几三） 实验设备 本仪器定位于探究性实验系统，除可以测量配套的样件以外，实验者还可以利用本系统测量其自制电池片组件系统主要包括：氙灯电源、光源、测试、配套软件、USB通信线、电池片组和滤光片组一起组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。

实验操作和显示由计算机软件来完成整机图片〔图8〕和仪器构成示意图〔图9〕如下：1.光路局部本设备光路简洁，由氙灯光源、凸透镜、滤光片构成。