太阳能电池基本特性的测量 ***，物理学系 摘 要： 本实验旨在测量、验证太阳能电池的一系列物理特性。测量无光照条件下太阳能电池在正向偏压条件系下的伏安特性，推导并拟合了其特性曲线及发射系数，并试图用太阳能电池的理论模型来解释其伏安特性的分段性质。同时笔者还解释了在固定光强下太阳能电池的负载特性，推算出了下的填充因子。并且利用光功率测定仪，定量分析太阳能电池的光照特性。最后，使用不同滤色片滤光并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 发射系数 填充因子 禁带宽度 of the basic of solar cells Ke, of ： This is aimed to the basic of solar cells. The have the of the solar cell any . Based on these data, the also have the , and tried to the same under the in . In , the load and the of the solar cell, under fixed light , has also been . , by the with color and , the band width of the solar cell has been as well. Key words: solar cells band width 一、 引言 太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等诸多优点。由于可以直接利用太阳光产生电能，它从其概念诞生以来就一直受到了热切的关注。1839年，光生伏特效应第一次由法国物理学家A.E.发现。1883年第一块太阳电池由 制备成功，虽然器件只有1%的效率。 而今太阳能电池的转换效率被一次次地刷新，用途也在不断拓展。除了利用太阳能直接发电，它还可以用作为光信号探测器，在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。因此对于其工作性能的了解有着重要意义。 二、 实验原理 （1） 1.太阳能电池的主要结构为PN结。根据理论分析，PN结正向偏压下的伏安特性可由下式给出 Id=-1 式中，Id为流过PN结的电流，I0是无光照时的反向饱和电流，V是PN结上的电压，e是电子电荷，k是玻尔兹曼常量，T为热力学温度，n为发射系数，它与PN结的材料结构有关系，其值在1和2之间。 太阳能电池的理论模型是由一理想电流源、一个理想PN结、一个并联电阻Rsh与一个电阻Rs所组成，如图1所示。其中Rsh为体电阻、Rs为接触电阻。 由基尔霍夫定律得： IRs+I-IdRsh-U=0 (2) 代入（1）式可得 U+-1=I(Rs+Rsh) （3） 有光照的，太阳能电池直流模型。 由基尔霍夫定律得： IRs-Iph-Id-IRsh+U=0 (4) Rsh为漏电流的等效电阻，对于小面积的太阳能电池Rsh的典型值为103Ω~106Ω 对于硅太阳能电池一般有RsRsh≪1 （5） U趋于0V时，有I=Iph-U+≈1+RsRsh-1Iph-URsh=Iph-URsh=Isc-URsh （6） 可见，只要的U趋于0V的伏安特性曲线即可估算Rsh的值。 （7） 2.当光照射在太阳能电池表面的PN结上时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则光子将被太阳能电池吸收而产生电子-空穴对。以恒定速率产生的电子-空穴对提供了通过结的电流。太阳能电池输出的净电流I是光生电流IPh和两极管电流Id之差，即 I=IPh-Id=IPh–1 当太阳能电池的输出端短路时，即V = 0，由上式可得到短路电流Isc= IPh; 当太阳能电池的输出端开路时，即I = 0，可测得开路电压Uoc。正常运行时，IPh比I0高几个数量级，因此上式中的1可以忽略。 （8） 3.填充因子FF是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，其可表示为太阳能电池的最大输出功率Pmax和Uoc与Isc之积的比，即 FF= 其中Uoc为太阳能电池的开路电压，Isc为太阳能电池的短路电流。 （9） 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 IPh∝λcλ0Kλdλ∝λcλ0HλSλdλ∝λcλ0TcλI0λI0 λIsλrλ,Tdλ 其中λc为滤色片截止波长，λ0为禁带宽度对应波长，Nλ为波长为λ的入射光子数，Hλ为光谱仪测得的光强分布，Sλ为光谱仪的响应函数，Tcλ为滤色片的透射光谱，I0λ为光谱仪原配白炽灯光谱，I0 λ为照射太阳能电池的白炽灯光谱，rλ,T为光谱功率分布，可由普朗克公式给出，Isλ为测定响应函数时的光强分布。 三、 实验装置及过程 1. 将万用表直接连在太阳能电池的两端，粗略测量太阳能电池的开路电压Uoc和短路电流Isc，以确定后续测量时的注意事项。 图1 无光照伏安特性测量 2. 在正向偏压范围大约为0～13V范围内，用图一所示装置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关系满足PN结经验公式，并拟合曲线求出发射系数n的值。 图2 光照下负载特性测量 3. 在不加偏压并固定光强的情况下，首先测量太阳能电池的开路电压Uoc 以及短路电流Isc。改变接入电路的电阻箱阻值R，测量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，并作出P～R关系图，根据图线求出太阳能电池的最大功率Pm及最大输出功率时所对应的负载电阻R0。用所得数值计算填充因子FF。 图3 太阳能电池光照特性测量 4. 利用照度计选取比较符合光强J与距离S成平方反比关