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1、硅光电池基本特性的测定硅光电池基本特性的测定2023/1/51本讲稿第一页，共十二页硅光电池基本特性的测定硅光电池基本特性的测定w太太阳阳能能是是一一种种新新能能源源，对对太太阳阳能能的的充充分分利利用用可可以以解解决决人人类类日日趋趋增增长长的的能能源源需需求求问问题题。目目前前，太太阳阳能能的的利利用用主主要要集集中中在在热热能能和和发发电电两两方方面面。利利用用太太阳阳能能发发电电目目前前有有两两种种方方法法，一一是是利利用用热热能能产产生生蒸蒸气气驱驱动动发发电电机机发发电电，二二是是太太阳阳能能电电池池。太太阳阳能能的的利利用用和和太太阳阳能能电电池池的的特特性性研研究究是是21 2
2、1 世世纪纪的的热热门门课课题题，许许多多发发达达国国家家正正投投入入大大量量人人力力物物力力对对太太阳阳能能接接收收器器进进行行研研究究。因因此此，在在普普通通物物理理实实验验中中开开设设了了太太阳阳能能电电池池的的特特性性研研究究实实验验，介介绍绍太太阳阳能能电电池池的的电电学学性性质质和和光光学学性性质质，并并对对两两种种性性质质进进行行测测量量，联联系系科科技技开开发发实实际际，有有一一定的新颖性和实用价值。定的新颖性和实用价值。w实验目的实验目的 仪器及材料仪器及材料w实验原理实验原理 实验内容实验内容w数据记录及处理数据记录及处理 注意事项及思考题注意事项及思考题 2023/1/5
3、2本讲稿第二页，共十二页实验目的实验目的w1.1.无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线线w2.2.测量太阳能电池的短路电流、开路电压、测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子最大输出功率及填充因子w3.3.测量太阳能电池的短路电流、开路电压与测量太阳能电池的短路电流、开路电压与相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。相对光强的关系，求出它们的近似函数关系。2023/1/53本讲稿第三页，共十二页实验用仪器及材料实验用仪器及材料w光具座、滑块、光具座、滑块、白炽灯、太阳能白炽灯、太阳能电池、光功率计、电池、光功率计、遮光罩、电压表、遮光罩、
4、电压表、电流表、电阻箱电流表、电阻箱 2023/1/54本讲稿第四页，共十二页实验原理实验原理w太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U U与通过电与通过电流流I I的关系式为：的关系式为：，(1)(1)(1)(1)式中，式中，I I0 0和和是常数。是常数。w由半导体理论，二极管主要是由能隙为由半导体理论，二极管主要是由能隙为ECECEVEV的半导体构成，如图的半导体构成，如图1 1所示。所示。ECEC为半导体电带，为半导体电带，EVEV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被为半导体
5、价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。的影响而产生光电流。w 图图1 12023/1/55本讲稿第五页，共十二页w假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图2 2所示。所示。图图2 2图图2 2中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，为光照时，通
6、过太阳能电池内部中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：二极管的电流。由基尔霍夫定律得：，（2 2）(2 (2）式中，）式中，I I为太阳能电池的输出电流，为太阳能电池的输出电流，U U为输出电压。由（为输出电压。由（1 1）式可得，）式可得，（3 3）2023/1/56本讲稿第六页，共十二页w假定假定 和和 ，太阳能电池可简化为图，太阳能电池可简化为图3 3所示电路。所示电路。图图3 3这里，这里，。在短路时，在短路时，U U0 0，；而在开路时，而在开路时，I I0 0，；，（4 4）（4 4）式即为在）式即为在 和和 的情况
7、下，太阳能电池的开路电压的情况下，太阳能电池的开路电压 和短路电流和短路电流 的的关系式。其中关系式。其中 为开路电压，为开路电压，为短路电流，而为短路电流，而I I0 0 、是常数。是常数。2023/1/57本讲稿第七页，共十二页实验内容实验内容w1 1在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I IU U特性（直流特性（直流偏压从偏压从0 03 3。0V0V）。）。a a、画出测量线路图。、画出测量线路图。b b、利用测得的正向偏压时、利用测得的正向偏压时I IU U关系数据，画出关系数据，画出I IU U曲线并求得常数曲线
8、并求得常数和和I I0 0 的值。的值。w2 2、在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太、在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为阳能电池距离保持为20cm20cm。a a、画出测量线路图。、画出测量线路图。b b、测量电池在不同负载电阻下，、测量电池在不同负载电阻下，I I对对U U变化关系，画出变化关系，画出I IU U曲线图。曲线图。c c、求短路电流、求短路电流 和开路电压和开路电压 。d d、求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。、求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。e e、
9、计算填充因子、计算填充因子 。2023/1/58本讲稿第八页，共十二页w3 3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20cm20cm水平距离光强作为标准光照强水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度度，用光功率计测量该处的光照强度J J0 0；改变太阳能电池到光源的距离；改变太阳能电池到光源的距离x x，用光功，用光功率计测量率计测量x x处的光照强度处的光照强度J J，求光强，求光强J J与位置与位置X X关系。测量太阳能电池接收到相对光强度关系。测量太阳能电池接收
10、到相对光强度J/JJ/J0 0不同值时，相应的不同值时，相应的I ISCSC和和U U0C0C的值。的值。a a、描绘、描绘I ISCSC和相对光强度和相对光强度J/JJ/J0 0之间的关系曲线，求之间的关系曲线，求I ISCSC和与相对光强和与相对光强J/JJ/J0 0之间近之间近似关系函数。似关系函数。b b、描绘出、描绘出U U0C0C和相对光强度和相对光强度J/JJ/J0 0之间的关系曲线，求之间的关系曲线，求U U0C0C与相对光强度与相对光强度J/JJ/J0 0之间近之间近似函数关系。似函数关系。2023/1/59本讲稿第九页，共十二页数据记录及处理数据记录及处理w1 1、全暗情况
11、下太阳能电池在外加偏压时伏安特性、全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性U1/VU2/mVI/AI/mAU/A2023/1/510本讲稿第十页，共十二页w2 2、在在不不加加偏偏压压时时，在在使使用用遮遮光光罩罩条条件件下下，保保持持白白光光源源到到太太阳阳能能电电池池距距离离20CM20CM，测测量量太太阳阳能能电电池池的的输输出出电电流流对对太太阳阳能能电电池池的的输输出出电电压压的的关关系系。太太阳阳能能电电池池在在光光照照时，测量输出功率与负载电阻的关系。时，测量输出功率与负载电阻的关系。w3 3、测量太阳能电池、测量太阳能电池I ISCSC和和U U0C0C与相对光强与相对光强J/
12、JJ/J0 0的关系。的关系。I/mAU/AP/mWR/KIsc/mAJ/J0Voc/VJ/J02023/1/511本讲稿第十一页，共十二页w【注意事项】【注意事项】1 1、连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。、连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。2 2、避免太阳光照射太阳能电池。、避免太阳光照射太阳能电池。3 3、连接电路时，保持电源开关断开。、连接电路时，保持电源开关断开。w【思考题】【思考题】1 1、设计电路，利用两节干电池，一个电压表，一个电阻箱来测量太阳能电池在、设计电路，利用两节干电池，一个电压表，一个电阻箱来测量太阳能电池在全黑的条件下的伏安特性曲线。全黑的条件下的伏安特性曲线。2 2、两个太阳能电池串联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子、两个太阳能电池串联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子 3 3、两个太阳能电池并联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。、两个太阳能电池并联，测量它们的伏安特性曲线，填充因子。2023/1/512本讲稿第十二页，共十二页