物理实验（下）太阳能电池基本特性的测量

太阳能电池基本特性的测量

The Experiment of MeasuringThe Electronic Properties of Solar Cells

摘要：这个实验旨在测量太阳能电池的一系列特性，根据太阳能电池的PN结结构，探究无光条件下太阳能电池的正向偏压伏安特性。同时探究在固定光强下太阳能电池的负载特性。利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。使用不同滤色片测量对应太阳能电池短路电流，从而推算其禁带宽度。

关键词：太阳能电池，伏安特性，填充因子，禁带宽度

Abstract:

What I did in this experiment is just to achieve an purpose of investigating into the character of solar cells, during which I measured the volt-ampere characteristics with a no-sight of light by the side of the cell and also the load character with a fixed photo intensity of it. With the help of photometer and color filters, the electric properties of the semiconductor solar cells used in different circumstances of illumination are stepping out little by little. And at the end of the game, the forbidden band width of the semiconductor materials is no more hiding.

Key words: solar cells; volt-ampere characteristic; filling factor; forbidden band width

一、引言

太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，不需要电源，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等优点。

1883年，第一块太阳电池由Charles Fritts制备成功。 到二十一世纪，太阳能成为能源领域的热门话题，各国投入大量资源进行太阳能电池的研究。在世界的节约能源概念普遍下，太阳能电池很有可能成为解决能源问题的有效途径。

预计到2030 年，可再生能源在总能源结构中将占到 30%以上，而太阳能光发电在世界总电力供应中的占比也将达到 10%以上；到 2040 年，可再生能源将占总能耗的 50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的 20%以上；到 21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到 60%以上。

可见，太阳能电池具有广阔的发展前景以及在能源领域的战略地位。

目前，太阳能电池的应用已从军事领域、航天领域进入工业、商业、农业、通信、家用电器以及公用设施等部门。

本实验根据太阳能电池的 PN结结构，探究无光条件下太阳能电池的正向偏压伏安特性。同时探究在固定光强下太阳能电池的负载特性。利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。并使用不同滤色片测量对应太阳能电池短路电流，从而推算其禁带宽度。

二、实验原理

1. 太阳能电池的主要结构为 PN 结。无光照时，太阳能电池相当于 PN 结，其正向 偏压下的理想伏安特性为

qU?nKT??I?I0?e?1????（1）

其中，??为流过 PN 结的两极管电流，??是无光照时的反向饱和电流，是结上 的电压，e是电子电荷，是玻尔兹曼常量，表示热力学温度。为发射系数，与PN 结的材料结构有关，其值在 1和2之间。

2. 太阳能电池具有光照特性。光照下，若入射光子的能量大于太阳能电池的禁带 宽度，光子将被吸收而产生电子-空穴对，从而产生电流。

（2）

其中，为太阳能电池输出的净电流，???为光生电流。 3. 填充因子FF是表征太阳能电池好坏的一个指标

FF?PmaxISCUOC（3）其中，为太阳能电池的最大输出功率，和??分别为其开路电压和短

路电流。

4. 能量大于半导体材料的禁带宽度的光子可以使太阳能电池产生光电流，其大小 为

（4）

其中，是光子数随波长分布的函数，是滤色片的截止波长，是能产生

光电流的最大波长。通过此公式推算太阳能电池的半导体材料的禁带宽度。

三、实验装置

附接线的盒装太阳能电池 2号

数字式万用电表（3位半）2台 UT29A、VC9801A+ 直流稳压电源（0-20V）1台 QJ2002A 电阻箱1只 ZX21A 型直流电阻器 白炽灯1个 GY-6A 型

光具座1根及配套的底座和支架 JGX-1型编号111109330 滤色片 2号

四、实验步骤

1、粗略测量太阳能电池的开路电压和短路电流 (1) 在无光条件下的短路电流与开路电压 （2）在光照条件下的短路电流与开路电压

图一，测太阳能电池的开路电压和短路电流

2、在无光照条件下，测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性。按图二连接电路，选择合适的测量范围，仔细测量太阳能电池的正向伏安特性。利用测得的数据，画出I～V曲线，验证在没有光照情况下太阳能电池的正向偏压与电流之间的经验公式，并求出n值。

图二，无光条件下测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性

3、在不加偏压及入射光强为1000Lux的情况下，测量太阳能电池的负载特性，图三为所用的电路图

（1）当太阳能电池两端开路时，测量其开路电压

（2）当太阳能电池两端短路时，测量其短路电流

（3）测量不同负载R下，太阳能电池输出电压与输出电流的关系并计算相应的功率P。

（4）作P~R关系图，求出太阳能电池的最大功率（5）计算填充因子FF。

及最大输出功率时所对应的负载电阻。

图三，油光条件下测量太阳能电池的负载特性

4、测量太阳能电池的光照特性。通过改变太阳能电池与光源的距离改变照射到太阳能电池的光照强度。

（1）测量短路电流与入射于太阳能电池上光束光强的变化关系，试分析之。 （2）测量开路电压与入射于太阳能电池上光束光强的变化关系，试分析之。

5、测量太阳能电池禁带宽度。在太阳能电池前安放不同波长的滤色片，在恒定光照强度下测量光电流和截止波长的关系。改变光照强度J，测量几组不同光强下光电流和截止波长的关系，推出光电流为零时的截止波长，可由光子能量与波长关系得到制作太能电池的半导体的禁带宽度。测量并比较不同材料制作的太阳能电池的禁带宽度。

五、实验数据及分析

1、粗略测量太阳能电池的开路电压和短路电流 有光 无光 开路电压/V 3.77 0 短路电流/mA 0.575 0 2、在无光照条件下，测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性 U/V Id/mA U/V Id/mA U/V Id/mA U/V Id/mA 0.24 0.514 0.948 1.342 1.943 2.18 2.72 2.98 3.28 0.00008 0.00021 0.00063 0.00141 0.00436 0.0067 0.01627 0.0376 0.0723 3.7 4.1 4.19 4.46 4.75 4.91 5.2 5.48 5.69 0.1662 0.634 0.751 1.203 1.784 2.71 3.7 4.73 5.5 6 6.28 6.62 6.9 7.13 7.36 7.63 7.78 7.86 6.75 7.88 9.27 10.37 11.41 12.36 13.71 14.27 14.64 8.58 9.16 9.85 10.33 11.16 11.67 12.18 13.37 14.06 18.06 21.7 25.3 27.3 32.4 35.2 37.6 44.7 48

图四，在无光照条件下，测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性

实验现象：在开始阶段，增加U值，电流增量很小，在某点之后，电流增量突变为激增，又在某点之后，几乎改变为正比增长。

从图中可以看出，在前一段是一个指数形式，在某点转换为直线，故细测采用0到某V，来尽量符合指数形式。

针对上述情况，我采取分段测量方法，细测各个阶段的电流与电压相应。 U/V Id/mA U/V Id/mA U/V Id/mA U/V Id/mA 0.05 0.13 0.3 0.46 0.51 0.61 0.72 0.00004 0.00008 0.0002 0.00031 0.00034 0.00043 0.00055 1.2 1.34 1.47 1.51 1.66 1.75 1.81 0.00142 0.00183 0.00232 0.00251 0.00325 0.00377 0.00421 2.43 2.51 2.62 2.72 2.82 2.91 3.11 0.01162 0.01322 0.01544 0.01812 0.0302 0.0364 0.0555 3.42 3.5 3.62 3.74 3.83 3.87 3.93 0.1062 0.1244 0.1584 0.1968 0.377 0.413 0.471

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