太陽(yáng)能電池特性研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告,急!!!!!!!!!
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太陽(yáng)能電池特性研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告思考題
1.一般需要再有效光照之上比如200W/㎡以上,光照強(qiáng)度和短路電流基本是成線性的, 2.太陽(yáng)能電池當(dāng)然可以短路,它跟普通電池的原理不一樣,不是內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生電能,只是把射入的光轉(zhuǎn)化成電能的器件,可以理解為一個(gè)中間的轉(zhuǎn)換裝置.
太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定總結(jié)
太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)( ( photovol2
taic effect) 做成的半導(dǎo)體器件,也是一種電離輻射效應(yīng)的
應(yīng)用。
太陽(yáng)能電池( solar cell) 在太空中及地球上的應(yīng)用均
非常廣泛,他提供了人造衛(wèi)星長(zhǎng)時(shí)期的動(dòng)力供應(yīng),并且是
地球能量來(lái)源的一個(gè)重要選擇,因?yàn)樗芤愿咿D(zhuǎn)換效率將
日光直接轉(zhuǎn)換成電能,能提供低成本而近乎永恒的動(dòng)力,
且?guī)缀鯖](méi)有污染[ 1 ,2 ] 。
1 太陽(yáng)能電池的極性
硅太陽(yáng)能電池的一般制成p + / n 型結(jié)構(gòu)或n + / p 型
結(jié)構(gòu),如圖1 所示。
圖1 太陽(yáng)能電池構(gòu)形圖
其中,第一個(gè)符號(hào),即p + 和n + ,表示太陽(yáng)能電池正面
光照層半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型;第二個(gè)符號(hào),即n 和p ,表
示太陽(yáng)能電池背面襯底半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電類(lèi)型。
太陽(yáng)能電池的電性能與制造電池所用半導(dǎo)體材料的
特性有關(guān)。在太陽(yáng)光或其他照射時(shí),太陽(yáng)能電池輸出電壓
的極性,p 型一側(cè)電極為正,n 型一側(cè)電極為負(fù)。
當(dāng)太陽(yáng)能電池作為電源與外電路連接時(shí),太陽(yáng)能電池
在正向狀態(tài)下工作。當(dāng)太陽(yáng)能電池與其他電源聯(lián)合使用
時(shí),如果外電路的正極與電池的p 電極連接,負(fù)極與電池
的n 電極連接,則外電源向太陽(yáng)能電池提供正向偏壓;如
果外電源的正極與電池的n 電極連接,負(fù)極與p 電極連
接,則外電源向太陽(yáng)能電池提供反向偏壓。
2 太陽(yáng)電池的性能參數(shù)
(1) 開(kāi)路電壓
開(kāi)路電壓uoc ,即將太陽(yáng)能電池置于100 mw/ cm2 的
光源照射下,在兩端開(kāi)路時(shí),太陽(yáng)能電池的輸出電壓值。
可用高內(nèi)阻的直流毫伏計(jì)測(cè)量電池的開(kāi)路電壓。
(2) 短路電流
短路電流isc ,就是將太陽(yáng)能電池置于標(biāo)準(zhǔn)光源的照
射下,在輸出端短路時(shí),流過(guò)太陽(yáng)能電池兩端的電流。測(cè)
量短路電流的方法,是用內(nèi)阻小于1 ω的電流表接在太陽(yáng)
能電池的兩端。
(3) 最大輸出功率
太陽(yáng)能電池的工作電壓和電流是隨負(fù)載電阻而變化
的,將不同阻值所對(duì)應(yīng)的工作電壓和電流值做成曲線就得
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《現(xiàn)代電子技術(shù)》2007 年第16 期總第255 期 集成電路
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到太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線。如果選擇的負(fù)載電阻值
能使輸出電壓和電流的乘積最大,即可獲得最大輸出功
率,用符號(hào)pm 表示。此時(shí)的工作電壓和工作電流稱(chēng)為最
佳工作電壓和最佳工作電流,分別用符號(hào)um 和im 表示,
pm = um im 。
(4) 填充因子
太陽(yáng)能電池的另一個(gè)重要參數(shù)是填充因子ff ,他是
最大輸出功率與開(kāi)路電壓和短路電流乘積之比:
ff =
pm
uoc isc
=
um im
uoc isc
(1)
ff 是衡量太陽(yáng)能電池輸出特性的重要指標(biāo), 是代表
太陽(yáng)能電池在帶最佳負(fù)載時(shí), 能輸出的最大功率的特性,
其值越大表示太陽(yáng)能電池的輸出功率越大。ff 的值始終
小于l 。ff 可由下列經(jīng)驗(yàn)公式給出:
ff =
v oc – ln(v oc + 0. 72)
v oc + 1
(2)
式(2) 中v oc是歸一化的開(kāi)路電壓,即uoc/ ( n kt/ q) 。
當(dāng)v oc > 15 時(shí),該公式的精度可達(dá)4 位有效數(shù)字[3 ] 。實(shí)際
上,由于受串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的影響,實(shí)際太陽(yáng)能電池
填充因子的值要低于上式所給出的理想值。
串、并聯(lián)電阻對(duì)填充因子有較大影響,如圖2 所示。
串聯(lián)電阻越大,短路電流下降越多,填充因子也隨之減少
的越多;并聯(lián)電阻越小,這部分電流就越大,開(kāi)路電壓就下
降的越多,填充因子隨之也下降的越多。
圖2 串并聯(lián)電阻對(duì)填充因子的影響
(5) 轉(zhuǎn)換效率
太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率指在外部回路上連接最佳負(fù)
載電阻時(shí)的最大能量轉(zhuǎn)換效率,等于太陽(yáng)能電池的輸出功
率與入射到太陽(yáng)能電池表面的能量之比:
η=
pm
pin
·
ff ·uoc ·isc
pin
(3)
地面用太陽(yáng)能電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)為:大氣質(zhì)量為am 1. 5 時(shí)
的光譜分布(具體規(guī)定可參見(jiàn)有關(guān)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)
準(zhǔn)) ,入射的太陽(yáng)輻照度為1 000 w/ m2 ,溫度為25 ℃。在
此條件下太陽(yáng)能電池的輸出功率定義為太陽(yáng)能電池的峰
瓦數(shù),用符號(hào)表示為w p (peak watt) 。
太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)
水平的重要參數(shù),他與電池的結(jié)構(gòu)、結(jié)特性、材料性質(zhì)、工
作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境變化等有關(guān)。其中與
制造電池半導(dǎo)體材料禁帶寬度的關(guān)系最為直接。首先,禁
帶寬度直接影響最大光生電流即短路電流的大小。由于
太陽(yáng)光中光子能量有大有小,只有那些能量比禁帶寬度大
的光子才能在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光生電子空穴對(duì),從而形
成光生電流。所以,材料禁帶寬度小,小于他的光子數(shù)量
就多,獲得的短路電流就大;反之,禁帶寬度大,大于他的
光子數(shù)量就少,獲得的短路電流就小。但禁帶寬度太小也
不合適,因?yàn)槟芰看笥诮麕挾鹊墓庾釉诩ぐl(fā)出電子- 空
穴對(duì)后剩余的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從而降低了光子能量的利
用率。其次,禁帶寬度又直接影響開(kāi)路電壓的大小。開(kāi)路
電壓的大小和p – n 結(jié)反向飽和電流的大小成反比。禁
帶寬度越大,反向飽和電流越小,開(kāi)路電壓越高。
3 太陽(yáng)能電池的伏安特性
圖3 是p – n 結(jié)太陽(yáng)能電池的示意圖。他包含一個(gè)
形成于表面的淺p – n 結(jié)、一個(gè)條狀及指狀的正面歐姆接
觸、一個(gè)涵蓋整個(gè)背部表面的背面歐姆接觸以及一層在正
面的抗反射層。
圖3 硅p – n 結(jié)太陽(yáng)能電池的示意圖
當(dāng)電池暴露于太陽(yáng)光譜時(shí),能量小于禁帶寬度eg 的
光子對(duì)電池輸出并無(wú)貢獻(xiàn)。能量大于禁帶寬度eg 的光子
才會(huì)對(duì)電池輸出貢獻(xiàn)能量eg , 大于eg 的能量則會(huì)以熱的
形式消耗掉。因此,在太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中, 必
須考慮這部分熱量對(duì)電池穩(wěn)定性、壽命等的影響。
太陽(yáng)能電池的能帶、電路及等效電路如圖4 所示。其
中, rl 為電池的外負(fù)載電阻。把太陽(yáng)能電池接上負(fù)載, 負(fù)
載中便有電流流過(guò), 該電流稱(chēng)為太陽(yáng)能電池的工作電流,
也稱(chēng)負(fù)載電流或輸出電流。負(fù)載兩端的電壓稱(chēng)為太陽(yáng)能電
池的工作電壓。
一個(gè)理想的太陽(yáng)能電池,串聯(lián)電阻rs 很小,而并聯(lián)電
阻rsh 很大。由于rs 和rsh 是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的,
所以在進(jìn)行理想的電路計(jì)算時(shí),他們可以忽略不計(jì)。此時(shí),
流過(guò)負(fù)載的電流為il 為:
il = i sc – i d (4)
采用單二極管模型,理想情況下太陽(yáng)電池的電壓- 電
流特性(伏- 安特性) 可以寫(xiě)為[ 4 ] :
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微電子技術(shù)袁 鎮(zhèn)等:太陽(yáng)能電池的基本特性
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il = i sc – i0 equ/ a kt – 1 (5)
式(4) , (5) 中: id 為太陽(yáng)電池的暗電流或漏電流,單位a ;
i0 為p – n 結(jié)的反向飽和暗電流,單位a ; q 為電子電荷,
單位c; k 為玻爾茲曼常數(shù); t 為熱力學(xué)溫度, 單位k;
a 為常數(shù)因子(正偏電壓大時(shí)a 值為1 ,正偏電壓小時(shí)a
值為2) ; e 為自然對(duì)數(shù)的底。
圖4 太陽(yáng)能電池的能帶圖、電路及等效帶路
研究表明,決定i0 大小的關(guān)鍵參數(shù)是半導(dǎo)體材料的
禁帶寬度eg ,以下的經(jīng)驗(yàn)公式給出了i0 的低限[5 ] :
i0 ≥1. 5 ×105exp ( – eg/ kt) (6)
在短路狀態(tài)下,u = 0 ,由式(5) 可得到:
il = isc (7)
在開(kāi)路狀態(tài)下,且il = 0 時(shí), 電壓u 即為uoc , 用式(8)
表示:
uoc =
a k t
q
ln
isc
i0
+ 1 (8)
式(8) 是開(kāi)路電壓的表達(dá)式,表明要提高太陽(yáng)電池的
開(kāi)路電壓,必須提高短路電流和反向飽和電流的比值。
根據(jù)式(5) 和式(8) 做圖,可得到太陽(yáng)能電池的伏- 安
關(guān)系曲線,如圖5 所示。這個(gè)曲線,可簡(jiǎn)稱(chēng)為i – u 曲線。
圖5 中,曲線1 ,是二極管的暗伏安關(guān)系曲線,即無(wú)光
照時(shí)太陽(yáng)能電池的i – u 曲線;曲線2 ,是電池接受光照后
的i – u 曲線,他可由無(wú)光照時(shí)i – u 曲線向第4 象限位移
isc量得到。經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換,最后可得到常用的光照太陽(yáng)
能電池的伏安特性曲線,如圖6 所示。
太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線顯示了通過(guò)太陽(yáng)能電池
(組件) 傳送的電流與電壓在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。
對(duì)于實(shí)際的太陽(yáng)電池來(lái)說(shuō),必須考慮p – n 結(jié)的品質(zhì)
和實(shí)際存在的串聯(lián)電阻rs ,并聯(lián)電阻r sh 。串聯(lián)電阻包括
擴(kuò)散層的薄層電阻、基區(qū)材料本身的電阻、電極與半導(dǎo)體
的接觸電阻、電極的電阻等;并聯(lián)電阻包括p – n 結(jié)的漏
電阻及電池邊緣的漏電阻等,他是由硅片的邊緣不清潔或
體內(nèi)的缺陷引起的。因此考慮串并聯(lián)電阻的影響后太陽(yáng)
電池的伏- 安特性為:
il = isc – i0 eq(u+ il rs / nkt – 1 –
u + il rs
rsh
(9)
式中, n 稱(chēng)為p – n 結(jié)的品質(zhì)因子。
圖5 太陽(yáng)能電池的 圖6 常用的太陽(yáng)能電池
伏安關(guān)系曲線伏安特性曲線
在一定的光照下,太陽(yáng)電池產(chǎn)生一定的電流isc ,其中
一部分是流過(guò)p – n 結(jié)的暗電流,另一部分是供給負(fù)載的
電流。故可把光照p – n 結(jié)看作是一個(gè)恒流源與理想二
極管的并聯(lián)組合,恒流源的電流就是最大的光生電流isc ,
流過(guò)理想二極管的電流即暗電流id , il 為流過(guò)負(fù)載電阻r
的電流。如圖4 (c) 所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文從太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)、工作原理出發(fā),論述了表
征太陽(yáng)能電池特性的短路電流、開(kāi)路電壓、填充因子和光
電轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)以及外界條件對(duì)他們的影響。對(duì)于了
解太陽(yáng)能電池的基本特性有很大的幫助,同時(shí),對(duì)太陽(yáng)能
電池的設(shè)計(jì)和測(cè)試也有一定的指導(dǎo)作用。
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 太陽(yáng)能電池基本特性的測(cè)量 的 誤差分析
誤差分析: 一.系統(tǒng)誤差: (1).電流表與電壓表內(nèi)阻以及導(dǎo)線內(nèi)阻接觸電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響; (2).最小二乘法擬合中對(duì)I0的忽略導(dǎo)致的誤差; (3).因?yàn)閷?dǎo)線的接入導(dǎo)致遮光罩沒(méi)有完全密封; (4).萬(wàn)用表及變阻箱造成的誤差. (5).導(dǎo)線的接入電阻. 二.隨機(jī)誤差: (1).萬(wàn)用表讀數(shù)不穩(wěn)定; (2).導(dǎo)線的接入電阻; (3).溫度及電源電壓的頻繁波動(dòng); (4).實(shí)驗(yàn)臺(tái)面有微小振動(dòng)導(dǎo)致光強(qiáng)并不恒定; (5).光源自身功率并非絕對(duì)恒定造成的誤差.
太陽(yáng)能電池特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)的原理是什么?
太陽(yáng)能電池特性有明特性和暗特性?xún)煞N.明特性是電池在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下,電流電壓之間的變化關(guān)系.暗特性是電池在無(wú)光照條件下,電流電壓之間的變化關(guān)系.
測(cè)試太陽(yáng)能電池在光照情況下的伏安特性
天空的日照不穩(wěn)定的,用燈具照的話(huà)會(huì)好一些.
硅光電池特性的研究實(shí)驗(yàn)體會(huì)和建議
1. 通過(guò)實(shí)驗(yàn)直接測(cè)得的光譜響應(yīng)為外量子效率,其中計(jì)入了電池正表面的反射損失和背面的投射損失.2. 可用輻射熱源與液氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)變溫IV以及變溫QE測(cè)試實(shí)驗(yàn);可用調(diào)頻激光測(cè)試IV與QE獲得頻率響應(yīng)3. 最簡(jiǎn)單的方案是利用二極管設(shè)計(jì)單向通電電路.
太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)在不加偏壓時(shí)使用遮光罩時(shí)則么求短路電流
不加偏壓的話(huà),使用低阻值負(fù)載(如50歐姆),測(cè)得的電流值可直接約等為短路電流.
太陽(yáng)能電池特性
太陽(yáng)能電池的外特性測(cè)量參數(shù)一般必然包括:Isc,Voc,FF,Tem..這些都是必然要測(cè)的,電路這里不是很容易就能給你說(shuō)清楚的,工具呢就是用太陽(yáng)光模擬器了,蓄電池的外特性就稍微簡(jiǎn)單很多了,就是一般的蓄電池測(cè)試內(nèi)容和方法,大致相同.
光電池特性研究實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方法。
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢?nèi)容 1.作出單色儀的校正曲線—單色儀的定標(biāo)。2. 測(cè)定硅光電池的光譜響應(yīng)—作出波長(zhǎng)λ與硅光電池的靈敏度K′(λ)的校正曲線。 3. 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的光路和電路，測(cè)量、研究硅光電池的主要參數(shù)和基本特性。二、實(shí)驗(yàn)基本原理光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。光電池的種類(lèi)很多，常見(jiàn)的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅、硫化鉈、硫化鎘等。其中最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。它有一系列的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等。同時(shí)它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度最相近，所以，它在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x器、曝光表以及自動(dòng)控制檢測(cè)、計(jì)算機(jī)的輸入和輸出上用作探測(cè)元件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要的地位。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的光譜響應(yīng)進(jìn)行測(cè)量和研究，對(duì)其他基本特性和簡(jiǎn)單應(yīng)用作初步的了解。 硅光電池是一種p-N結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)光照射到P-N結(jié)時(shí)，由光激發(fā)的光生載流子的遷移，使P-N結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，如果它與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將有光電流產(chǎn)生。 (1)硅光電池的主要參數(shù)和照度特性 1)開(kāi)路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為開(kāi)路電壓，開(kāi)路電壓與入射光強(qiáng)照度Ee的特性曲線稱(chēng)為開(kāi)路電壓曲線，開(kāi)路電壓可直接用電位差計(jì)讀出。(當(dāng)所測(cè)電壓超過(guò)電位差計(jì)量程時(shí)，自行設(shè)法擴(kuò)大量程) 2)短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路(負(fù)載電阻R=0)時(shí)，所輸出的光電流值稱(chēng)為短路光電流。光電流密度Je與照度Ee的特性曲線稱(chēng)為短路電流曲線。 3)試研究開(kāi)路電壓、短路電流與受光面積的關(guān)系。 (2)硅光電池的負(fù)載特性 1)硅光電池的伏安特性與最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流I和硅光電池兩端的電壓U相應(yīng)地變化，稱(chēng)為硅光電池的伏安特性。通過(guò)負(fù)載特性的研究，就可知道在某一負(fù)載電阻時(shí)其輸出功率最大，這稱(chēng)為最佳匹配，所用負(fù)載電阻又稱(chēng)為最佳匹配電阻。 2)硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻Rs等于開(kāi)路電壓除以短路電流。可以觀察到光照面積不同時(shí)，硅光片的內(nèi)阻將發(fā)生變化。 (3)硅光電池的溫度特性(供選做參考)。硅光電池的開(kāi)路電壓、短路電流隨溫度t變化的曲線表征了它的溫度特性。這種硅光電池的溫度漂移，直接影響到測(cè)量精度與控制精度。一般開(kāi)路電壓隨溫度增加而迅速下降，路短電流隨溫度增加而緩慢上升。在具體應(yīng)用和設(shè)計(jì)儀器時(shí)，應(yīng)考慮溫度的漂移，要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。 (4)硅光電池的光譜響應(yīng)特性 用光電法測(cè)量光的強(qiáng)度，光的能量時(shí)，一般是采用光電管、光電倍增管、硅光電池、半導(dǎo)體光電二極管、炭斗和熱電堆等光電器件。但這些器件各有它們的特點(diǎn)。使用時(shí)必需了解它的特性，它們對(duì)各波段的靈敏度如何？也就是它們的光譜響應(yīng)怎么樣？ 國(guó)產(chǎn)的硅光電池靈敏度比較高，尤其在長(zhǎng)波，靈敏度更高。但相對(duì)來(lái)說(shuō)，在450納米以下的短波與長(zhǎng)波比較它的靈敏相差很大，光譜響應(yīng)比較差。因此，測(cè)定硅光電池的靈敏度是很重要的了。 實(shí)驗(yàn)中采用2CR 型系列的硅光電池。并用熱電堆對(duì)各個(gè)波長(zhǎng)的靈敏度比較均勻這個(gè)特點(diǎn)來(lái)作標(biāo)準(zhǔn)，求出硅光電池相對(duì)光譜靈敏度。 其做法是假設(shè)在某個(gè)波長(zhǎng)，熱電堆的光譜靈敏度為K（λ），硅光電池的光譜靈敏度K′(λ)；單色儀的透過(guò)率為T(mén)（λ）；熱電堆與硅光電池的輸出信號(hào)大小分別為D（λ）和D′（λ）；光源（這里用白熾燈）的輻射能量的發(fā)射本領(lǐng)為E（λ）。它們的關(guān)系分別為： D（λ）= E（λ）K（λ）T（λ） （1） D′（λ）= E（λ）K′（λ）T（λ） （2）（1）和（2）兩式相除得： D（λ）/ D′（λ）= K（λ）/ K′（λ） （3）因?yàn)闊犭姸训墓庾V響應(yīng)均勻，即無(wú)選擇性，靈敏度基本上是一樣的。為此，我們用熱電堆作為標(biāo)準(zhǔn)，并假定它的光譜靈敏度為一個(gè)常數(shù)。為了計(jì)算方便，這里假定K（λ）等于1.則（3）式變?yōu)?K′(λ)= D′（λ）/ D（λ） (4)用這個(gè)關(guān)系式就可以求出硅光電池的相對(duì)光譜靈敏度即光譜響應(yīng)。三、實(shí)驗(yàn)用具與裝置圖 實(shí)驗(yàn)用具：?jiǎn)紊珒x，ACⅡ型光電檢流計(jì)，經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓的光源（白熾燈），硅光電池和熱電堆等。 裝置如下圖： S1和S2分別為單色儀的輸入和輸出狹縫。G為探測(cè)器（硅光電池或熱電堆）L為聚焦透鏡，它把白熾燈的光束聚焦成象在狹縫上。