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1、兰州大学半导体物理实验 9/9/2010 太阳电池参数的测量太阳电池参数的测量 太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源，因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。一、【实验目的】一、【实验目的】通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通过它对使用日益广泛的各种光
2、电器件有更深入全面了解。二、【实验仪器】二、【实验仪器】1.模拟太阳光源系统。对模拟太阳光源的要求有两个：（1）光源的辐射能量密度对波长的分布应和太阳光相近；（2）光源的辐照功率应和地面附近的太阳光接近。对于第二点，目前普遍采用 100mW/cm2(AM1)来取得一致。对于第一点要求，本实验采用氙灯光源系统作为模拟太阳光源。氙灯的光谱分布在可见光部分与太阳光谱非常相似，并且在近红外及红外区也相差不大。2.伏安特性测试台：含电压表、电流表、滑动变阻器各一个。3.其他：白炽灯、光功率计。三、【实验原理】三、【实验原理】太阳能电池是根据半导体的光生伏特效应直接将太阳光的部分光子能量转换成半导体中的电
3、子能量并输出一定电功率的装置。光生伏特效应是指半导体吸收入射光子后产生电动势的效应。这一量子过程产生有三个必要条件。（1）入射光必须能够产生非平衡载流子；（2）非平衡载流子必须能够在 pn 结、金属-半导体接触势垒等所提供的静电不均匀条件下被分离；（3）非平衡载流子要有一定的寿命，以保证能有效地被收集。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 与通过电流 I 的关系式为：兰州大学半导体物理实验 9/9/2010)1(UoeII，(1)(1)式中，oI 和()qnKT是常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为ECEV的半导体构成，如图 1 所示。EC为半导体导电带
4、，EV为半导体价电带。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的影响而产生光电流。图 1 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shR 与一个电阻sR 所组成，如图 2 所示。图 2 图 2 中，phI为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，dI 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：0)(shdphsRIIIUIR，（2）（2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（2）式可得，dshphshsIRUIRRI)1(，（3）假定shR和0sR
5、，太阳能电池可简化为图 3 所示电路。ECEV导电带价电带能隙光子空穴电子IphIdIph-IdRsRshIRL+-U兰州大学半导体物理实验 9/9/2010 图 3 这里，)1(0UphdpheIIIII。在短路时，U0，scphII；而在开路时，I0，0)1(0ocUsceII；1ln10IIUscOC，（4）（4）式即为在shR和0sR的情况下，太阳能电池的开路电压太阳能电池的开路电压OCU和短路电流短路电流SCI的关系式。其中OCU为开路电压，SCI为短路电流，而0I、是常数。填充因子填充因子FFFF是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，其大小反映出与器件质量相联系的 pn 结的界面与表
6、面等特性，可表示为太阳能电池的最大输出功率maxP和OCU与SCI之积的比，即 mOCSCPFFUI (5)太阳能电池的功率转换效率太阳能电池的功率转换效率定义为最大输出功率与输入功率之比，miPP （6）从光照下的 V-I 特性曲线中，可以得出电池等效电路中的串联电阻和并联电阻。具体求解表达式为：串联电阻：1/OCsU UdIRdU （7）并联电阻：1/SCshIIdIRdU （8）IphIdIU兰州大学半导体物理实验 9/9/2010 半导体材料能否用于制备太阳电池往往取决于该材料的禁带宽度。理想情况是太阳光谱的峰位能量（约为 2.7eV）处于高于材料的禁带宽度。四、【实验内容】四、【实验
7、内容】1.在无光照条件下，接入电源，测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性 o 选择合适的测量范围（如何选择？依据是什么？），仔细测量太阳能电池的正向伏安特性。o 利用测得的数据，画出IV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经验公式。2.在室内光照下，不加电源偏压，测量太阳能电池伏安曲线。o 粗略测量太阳能电池的开路电压和短路电流（为什么要先粗测？）o 精细测量电池伏安曲线，对所得的实验曲线进行处理并讨论。从IV特性曲线求出开路电压OCU、短路电流SCI、填充因子FFFF、串联电阻sR、并联电阻shR 及功率转换效率。其中iPSA,S(mW/cm2)是室内的光照强度，A(cm2)是电池的有效面积(2990cm2)。五、【注意事项】五、【注意事项】1.连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。兰州大学半导体物理实验 9/9/2010 2.避免太阳光照射太阳能电池。3.连接电路时，保持电源开关断开。4.测量室内照明灯光下的太阳能电池的特性时，需要注意的是杂散光和测量仪器（电压表）的内阻。