五：数据记录与处理

1

                              表一 负载电压和电流记录表

        

由上图可知：当R小于某一值时，负载电流几乎不变，此时，可视为恒流源；当R大于某一值时，负载电流近乎按指数形式减小。

从图中可知： 

当R增加时，P先增加，后减小，

由图可看出，当R=449.72时，P_m=5.728mW

故填充因子：F_f===0.994

且F_f值越大，太阳能电池对光的利用率越高，光转化率越高.

  

                                  

2，      表二太阳能电池正向偏压与电流数据表

           

由图可知，短路电流随开路电压的增大而增大，曲线近似于指数曲线。在做实验过程中可能由于实验误差导致。没有接近于理想二极管。

求I_o和B：

在图中取两点A（0.62,0.0375）B（1.29,0.1885）

带入公式  可得方程组 0.0375=I_o（e^0.62—1）

                                    0.1885=I_o（e^0.1.29—1）

解方程组可得：I_o=7.5   =0.02

所以经验公式为：

3:

                       表三不同光强下太阳能电池开路电压及短路电流

        

有曲线可知，在不通光照下，随光照的增强，开路电压和短路电流也随之增强。短路电流呈线性变化，开路电压开始增加较快，后趋于水平。

求：

在图中取两点A（1.90,1）B（2.22,2）带入

可得方程组：           

解方程组可得    I=3.92mA   β=0.233

所以，

4:

                       表四  不同角度光照下电池开路电压及短路电流

在一定光照下随角度的逐渐增大,太阳能电池的输出功率逐渐减小。

       

                             

5:

                               表五 太阳能电池串并联特性

因为电阻不是无限大，开路电压实际是有电流通过的；因为总电阻不为零，短路电流也不是理论中的无限大。

 

第二篇：一个与能源利用有关的综合性设计实验——太阳能电池基本特性测定的实验

第三届全国高等学校物理实验教学研讨会

一个与能源利用有关的综合性设计实验

一太阳能电池基本特性测定的实验

茅倾青１?潘立栋掌陈骏逸陆申龙

（复旦大学物理系，上海２００４３３）

摘要：对传统的“太阳能电池伏一安特性测量”物理实验进行改进，利用光功率测定仪和滤色片，定量分析在不同光强照射下，以及在不同截止波长的光照射下太阳能电池特性参数的变化规律，并测量半导体材料的禁带宽度．．

关键词：太阳能电池，开路电压‰，短路电流Ｉ馨，填充因子ＦＦ，禁带宽度

中图分类号：０４７２＋一

１引言

太阳能电池的利用和太阳能电池特性的研究是２１世纪的热门课题，许多国家正投入大量人力和物力对太阳能接收器进行研究。为此笔者尝试在普通物理实验中，开设太阳能电池的特性研究。在传统的特性参数测量的基础上，采用光功率测定仪，定量分析太阳能电池在不同光强照射下，特性参数的变化规律；采用滤色片测定并分析不同截止波长的光对太阳能电池的特性参数的影响。在此基础上提出一测量半导体材料禁带宽度的方法，并测量、比较不同半导体材料的禁带宽度。

２原理

太阳能电池的主要结构为一邮结。理想呻结的电流和电压关系由下式【２】给出：Ｉｄ＝ⅥｅｘｐⅣ㈣－１】（１）式中，Ｉｏ是无光照时的反向饱和电流，Ｕ是结上的电压，ｅ是电子电荷，ｋ是波尔兹曼常数，Ｔ表示热力学温度。当光照射在太阳能电池表面的ｐ．ｎ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一空穴对。这个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Ｉ孙和两极管电流Ｉｄ之差，净电流Ｉ由下式给出：

Ｉ＝ＩＰＩｌ－Ｉｄ＿Ｉ孙－Ｉｏ【ｅｘｐ（Ｕｅ／Ｉｌｌ（Ｄ－１】（２）

当太阳能电池的输出端短路时，即Ｕ＝Ｏ，由（２）式可得到短路电流：Ｉｓｃ＝ＩＰＩｌ：当太阳能电池的输出端开路时，即Ｉ＝ｏ。可推得开路电压ＵＯＣ。正常运行时，Ｉ孙比Ｉｏ高好几个数量级，因此（２）式中的ｌ可以忽略。

化，当负载电阻‰时使太阳能电池的输出功率为最大，即最大功率，它对应电压Ｕｍ和当太阳能电池接上负载电阻后，太阳能电池的输出电压和电流随着负载电阻的变化而变电流Ｉｍ；可知：?、

Ｐｎ尸ＩｍＵｍ（３）

填充因子是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，将最大功率Ｐｍ和Ｕ０ｃ与Ｉｓｃ之积的?茅倾青（１９８３一），男，上海人。复旦大学物理系２００ｌ级本科生．

’潘立栋（１９８３一），男，上海人，复旦大学物理系２００ｌ级本科生．—－３５，一

第三届全国高等学校物理实验教学研讨会

比值定义为填充因子ＦＦ：

、’ＦＦ＝Ｐｍ／‰ｃＩｓｃ）（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，光电流的大小有：

Ｊ肪芘ｅⅣ（允）砒

最大波长。当Ｎ（ｘ）为一常数时，有：（５）式中，Ｎ（入）是光子数随波长分布的函数，入。是滤色片的截止波长，入。是能产生光电流的

，荫ｏＣ‰一以）

在一定关系，由此可得太阳能电池的半导体材料的禁带宽度。、（６）当太阳能电池在光照部分前，安放不同截止波长的滤色片，则它产生的光电流和截止波长存

３实验方法

（１）将太阳能电池放在暗箱中，按实验电路图接线，测量在不受光照情况下，太阳能电池在正向偏压下的Ｉ．Ｕ特性。

（２）将太阳能电池作为一电源连入电路，置于恒定光强照射下（本实验使用６０ｗ的白炽灯泡照明），按电路图接线，测量在不同负载电阻时流过太阳能电池的电流Ｉ和输出电压ｕ，计算其在不同负载电阻下的输出功率Ｐ，由此确定最大输出功率Ｐｍ时的负载电阻Ｉｋ；从Ｉ—Ｕ图上得到Ｕ＝０时的短路电流Ｉｓｃ和Ｉ＝ｏ时的开路电压Ｕｏｃ，计算填充因子ＦＦ。

暗

箱／７．

／／光／照

ａ．无光照时太阳能电池在正向偏压下的Ｉ－Ｕ特性ｂ．将太阳能电池至于恒定光强照射下测量

图ｌ全暗及光照时实验电路图

（３）取定Ｊｏ作为“标准”的入射光照强度，通过改变光源到太阳能电池的距离来改变照射到太阳能电池的光照强度Ｊ，得到Ｉｓｃ、Ｕ０ｃ与相对光强度Ｊ，Ｊｏ的关系，找出Ｉｓｃ、Ｕｏｃ与Ｊ／Ｊｏ的近似函数关系。

（４）在光源出射口安放一块消除红外波长的隔热玻璃，使只有短波长通过，以防止红外波长对实验的影响。然后在太阳能电池前安放不同截止波长的滤色片（该滤色片存在一个截止波长，小于此波长的光波不能通过），在光强为Ｊ０下测量光电流和截止波长的关系。然后改变Ｊ，测量几组不同光强下光电流和截止波长的关系。由光电流Ｉｓｃ和截止波长入ｃ的关系，外推至ＩＳｃ＝ｏ时，得截止波长入ｃ’，即可以由光子能量与波长关系（Ｅ－ｈｃ／入）得到制作太阳能电池的半导体材料的禁带宽度。测量不同半导体材料制作的太阳能电池的数据，比较不同半导体材料的禁带宽度。

４结果和讨论

在全暗情况下测量太阳能电池在正向偏压下流过太阳能电池的电流Ｉ和太阳能电池的—．３５争一

第三届全国高等学校物理实验教学研讨会

输出电压Ｕ，得到Ｉ．Ｕ图，如图２所示：在４Ｖ以下的区域可以满足（１）式。电压再大时，由于其它因素的影响【３】，Ｉ和ｕ基本上里线性关系。

６

Ｓ

４

‘

看３

２

ｌ

０

０１２３ｌＳ６

Ｖ，ｙ

图２全暗时太阳能电池Ｉ－Ｕ特性图

在不加偏压下，将太阳能电池置于恒定光强照射下（暗箱中，保持６０ｗ白炽灯光源到太阳能电池距离为２０ｃｍ）。太阳能电池在不同负载电阻Ｒ下，输出功率Ｐ和负载电阻Ｒ的关系以及流过太阳能电池的电流Ｉ和输出电压Ｕ的关系如图３，由图可得负载电阻Ｉ净１．８ｋＱ时，太阳能电池的最大输出功率Ｐｍ＝４．３７ｍＷ，短路电流Ｉｓｃ＝１．８５ｍＡ，开路电压Ｕ萨３．６０Ｖ。算得填充因子ＦＦ＝６５．６％。

５

４．５

４

３．５

３

｛２．５山

２

１．５

ｌ

０．５

０

０１０２０３０４０哇

Ｒ／ｋＱ

图３Ｐ．Ｒ图和Ｉ．Ｕ图

若入射光最大光强为Ｊｏ，改变后光照强度为Ｊ，测量不同相对光照强度Ｊ／Ｊｏ下的ＩＳｃ和Ｕｏｃ，得到ＩＳｃ和Ｊ／Ｊｏ呈线性关系，如图４所示；Ｕｏｃ和ｌｎ（Ｊ／Ｊｏ）近似呈线性关系，如图５所示。—－３５卜

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图４Ｉ盯Ｊ／Ｊｏ图

３

２．５

２

；Ｌ５

ｌ

０．５

０

一２一１．５一ｌ—０．５０

１ｎ（Ｊ／Ｄ

图５ＵｏｒＩｎ（Ｊ，Ｊｏ）图

在不同光强下，由单晶硅（编号０１）作为材料的太阳能电池的光电流和截止波长的关系如图６所示。由１酊＝０时，可得，截至波长入ｏＩ’≈１１００栅，由公式Ｅ砘ｖ－ｈｃ，入求得单晶硅材料的禁带宽度为１．１３ｅｖ，公认值为１．１２８ｅＶ。笔者又用相同的方法对一块由多晶硅（编号０２）作为材料的太阳能电池进行了测量，求得此多晶硅截止波长入０２’≈１２００ｎｍ，代入光子能量公式得多晶硅材料的禁带宽度为１．０３ｅＶ。可见，单晶硅的禁带宽度要大于多晶硅。由固体物理学的知识，一般而言多晶硅由于缺陷较多，其禁带宽度要小于单晶硅，实验数据也很好地验证了这一点。—－３５８．一

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色５

２

Ｌ５ｌ

ｍ５

０

０２００４００６００８００

＾／ｎｍ

图６单晶硅材料Ｉ∞一入图

５结束语

太阳能电池特性的测量与它的开发和利用有着密切的关系。本实验从物理角度测量太阳能电池的特性，有利于学生掌握基本的电磁学和光学知识和实验方法，以及这些基本方法在科学研究中的应用．在进行传统的基本参数测量的基础上，采用新的仪器和方法，拓展了实验内容，定量分析太阳能电池特性参数的变化规律。因此这是一个应用性比较强的设计性综合实验，值得在高校基础物理实验中推广．

参考文献

【ｌ】Ａ．Ａ．Ｍ．赛义夫：‘太阳能工程＇，北京．科学出版社，１９８４

【２】杨述武，朱世国，马葭生，乔双：‘普通物理实验》（四、综合设计部分），北京，高等教育出版社，２０００

【３】方俊鑫，陆栋：‘固体物理学’（下册），上海，上海科学技术出版社．１９８１

ＡＮｅｗＭｅｔｈｏｄｏｆＭｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅＥＩｅｃｔｒｏｎｉｃＰｒｏｐｅｒ锣ｏｆ

ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＭａｔｅｒｉａｌｓｉｎＣｏ¨ｅｇｅＰｈｙｓｉｃｓＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔ

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Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｓｉｎｇｃｏｌｏｒｆｉｌｔｅ倦锄ｄｐｈｏｔｏｍｅｔｅｒ’ｗｅｉｍｐｒ０Ｖｅｄｔｈｅ伽ｉｔｉｏｎａｌｍ如ｏｄｏｆｍｅ觞诵ｎｇ也ｅＵ?Ｉ他ＩａｔｉｏｎｏｆＳｏｌ甜Ｃｅｌｌｓ，锄ｄｗｃｍｅ如ｕｒｅｄｔｔｌｅｅｌｅｃ仃ｉｃｐｍｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｔｌｅ∞ｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ∞ｌ盯ｃｅｌＩｓｕｓｃｄ，ｉｎｄｉ腩ｒｅｎｔｃｉｒｃｕｍｓｔａ嗽ｓｏｆｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ。锄ｄｍｃ柚ｗｈ订ｅｍｅ船咐ｄｍｅｗｉｄｔｔｌｏｆｔｈｅｆｏｒｂｉｄｄｅｎｇａｐｏｆｔｌｌｅ靶ｍｉｃｏｎｄｕ咖ｒｍａ：ｔｅｒｉａｌｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄ：Ｓｏｌ盯ＣｅｌＩｓ，Ｓｈｏｒ卜ｃｉｒｃｕｉｔｃｕｒ陀ｎｔ（Ｕｏｃ），Ｏｐｅｎ．ｃｉｒｃｕｉｔｖｏｌｔａｇｅ（Ｉｓｃ）＇ｆｉｌＩｉｎｇｆｋｔｏｒ（ＦＦ），ｆｏｒｂｉｄｄｅｎｇａｐ

—－３５争一

一个与能源利用有关的综合性设计实验——太阳能电池基本

特性测定的实验

作者：

作者单位：茅倾青， 潘立栋， 陈骏逸， 陆申龙复旦大学 物理系，上海 200433

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