太阳能电池特性测试试验仪

一、实验目的

1．熟悉太阳能电池的工作原理；
2．太阳能电池光电特性测量。

二、实验设备

THQTN-1型 太阳能电池特性测试实验仪。

三、实验原理

1 太阳能电池板结构
 
图1 太阳能电池板结构示意图
以硅太阳能电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN结经串联、并联构成，在N型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳能电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。                   
2 光伏效应都
用光照射到半导体PN结上时，半导体PN结吸收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N结耗尽区存在着较强的内建静电场，因而产生在耗尽区中的电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动，离开耗尽区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。
3 太阳能电池的特性参数
太阳能电池工作原理基于光伏效应。当光照射到太阳能电池板时，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为
                               (1)
是二极管的反向饱和电流，称为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常为1。是波尔兹曼常数，为电子的电荷量，为热力学温度。（可令）
当太阳能电池短路时，我们可以得到短路电流为ISC，当太阳能电池开路时，我们可以得到开路电压为UOC。
当太阳能电池接上负载R时，所得到的负载U-I特性曲线如（图四）所示，负载R可从零至无穷大，当负载为Rm时，太阳能电池的输出功率，它对应的功率为Pm：
Pm=Im×Um                                  (2)
上式中Im和Um分别为工作电流和工作电压，将Voc与Isc的乘积与输出功率Pm之比定义为填充因子FF：
                           (3)
FF为太阳能电池的重要特性参数，FF越大则输出功率越高。FF取决于入射光强、材料禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等。
太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能Pin之比，即                               
                                                (4)
 
图2 太阳能电池的伏—安特性曲线

四、实验内容与步骤

（1）测量太阳能电池无光照时的伏安特性（直流偏压从0~2V）连接测量电路如图3所示：
 
图3
利用测得的正向偏压时I—U关系数据，画出I—U曲线。
（2）在不加偏压时，用白炽灯光照射，测量太阳能电池特性(4片串联负载特性更明显)。连接测量电路如图3所示：注意：此时光源到太阳能电池距离不能太近，可选择为35cm之后。
 
图4
（a）测量短路电流、开路电压和入射光强J。
（b）测量电池在不同负载电阻下，对变化关系，画出曲线图。
（c）求太阳能电池的输出功率，工作电压和工作电流。
（d）计算填充因子：
（e）计算转换效率：
（3）电池的串联和并联
电池串联输出电流不变，电压相加。电池并联输出电压不变，电流相加。
五、实验数据
1、无光照时伏安特性表（并绘出曲线）

U（V）
I（mA）

2、不加偏压且有光照时测量
(1) 入射光强J=      
   串联ISC=        ,  UOC=      
   并联ISC=        ,  UOC=      
(2) 电池在不同负载电阻下，I对U的变化关系（并绘出曲线）
   入射光强J=      

R(Ω)

9999

9k

8k

7k

6k

5k

4k

3k

2k

1k

100

10

1

U(V)

I(mA)

P(mW)

(3) 功率Pm=       工作电压Um=       工作电流Im=      
(4) 计算填充因子：
(5) 计算转换效率：
(6) 阐述太阳能电池串并联输出电流电压的变化规律：
备注：光功率Pin为单位面积的入射光强J太阳能电池的有效面积，且本实验的太阳能电池单片有效面积为2060mm2。

六、注意事项

1. 实验室，避免太阳光照射太阳能电池。
2. 连接电路时，保持电源开关断开。
3. 做实验时，电压、电流及入射光强会跳动几个字（因电网电压不稳定导致光源不稳定造成），属正常现象，对实验结果无太大影响。