大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 工業(yè)和信息化普通高等教育“十二五”規(guī)劃教材立項(xiàng)項(xiàng)目 教學(xué)課件孫宇航 實(shí)驗(yàn)32 太陽能電池實(shí)驗(yàn)

1、在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)： :/教材其余課件及動(dòng)畫素材請(qǐng)查閱在線教務(wù)輔導(dǎo)網(wǎng)QQ:349134187 或者直接輸入下面地址：太陽能電池實(shí)驗(yàn) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心 馬紅實(shí)驗(yàn)背景 太陽能是指太陽輻射的能量。我們知道在太陽內(nèi)部無時(shí)無刻的在進(jìn)行著氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹さ臒岷朔错?。反響過程中伴隨著巨大的能量向宇宙空間的釋放。所有太陽釋放到宇宙空間的能量都屬于太陽能的范疇?？茖W(xué)研究已經(jīng)說明太陽的熱核反響可以持續(xù)百億年左右，能量輻射功率約3.81023Kw。根據(jù)地球體積、及地球與太陽的距離等數(shù)據(jù)可以計(jì)算出地球被輻照到的太陽能大致為全部太陽能量輻射量的20億分之一左右。考慮到地球大氣層對(duì)太陽輻射的反射和吸收等因素，實(shí)際到達(dá)地球外表的太陽

2、輻照功率為80億千瓦，折合500萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量。 人類對(duì)硅材料的認(rèn)識(shí)及固體理論、半導(dǎo)體理論的開展和成熟，是太陽能利用的關(guān)鍵推動(dòng)力，具有里程碑意義的事件是1945年美國Bell實(shí)驗(yàn)室研制出實(shí)用性硅太陽能電池。近年來，太陽能成為研究、技術(shù)、應(yīng)用貿(mào)易的熱點(diǎn)。太陽能潛在的市場(chǎng)為全世界所關(guān)注。除了人類能源需求量的增大、化石能源儲(chǔ)量的下降和價(jià)格的提升、理論和工藝技術(shù)水平的提高等因素外，環(huán)保意識(shí)、可持續(xù)開展意識(shí)的提升也是一個(gè)重要的因素 太陽能電池是目前太陽能利用中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，核心概念是pn結(jié)和光生伏特效應(yīng)。理解太陽能電池的工作原理、根本特性表征參數(shù)和測(cè)試方法是必要和重要的。太陽能電池的開展1954年美國貝

3、爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星上。由于材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的不斷改進(jìn)，太陽能電池逐漸由航天等特殊的用電場(chǎng)合進(jìn)入到地面應(yīng)用中。現(xiàn)在太陽能電池的價(jià)格不到20世紀(jì)70年代的1%。預(yù)期10年內(nèi)太陽能電池能源在美國、日本和歐洲的發(fā)電本錢將可與火力發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)。目前，年均增長(zhǎng)率35%，是能源技術(shù)領(lǐng)域開展最快的行業(yè)。無機(jī)太陽能電池實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解pn結(jié)根本結(jié)構(gòu)與工作原理；2、了解太陽能電池的根本結(jié)構(gòu)，理解其工作原理；3、掌握pn結(jié)的IV特性及IV特性對(duì)溫度的依賴關(guān)系；4、掌握太陽能電池根本特性參數(shù)測(cè)試原理與方法，理解光源波長(zhǎng)、溫度等因素對(duì)太陽能

4、電池特性的影響；5、通過分析PN結(jié)、太陽能電池根本特性參數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方法，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論結(jié)果間存在差異的原因。實(shí)驗(yàn)儀器儀器組成：測(cè)試主機(jī)、氙燈電源、氙燈光源、濾光片組和電池片組。實(shí)驗(yàn)操作和顯示由計(jì)算機(jī)軟件完成。整機(jī)圖片如下：91、光路局部?jī)?nèi)部示意圖本設(shè)備光路簡(jiǎn)潔，有光源、凸透鏡、濾色片構(gòu)成。102、測(cè)試主機(jī)1面板介紹：見以下圖.緊急停機(jī)按鈕：直接按下為關(guān)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)自動(dòng)歸位.關(guān)機(jī)按鈕: 正常關(guān)機(jī)按鈕。.開機(jī)按鈕。.PC接口：與計(jì)算機(jī)通信的USB接口。.光源通信接口：與氙燈電源通信，接收氙燈光源的狀態(tài)信息。.故障燈：紅色閃爍表示有故障，綠色表示工作正常。.工作狀態(tài)

5、：紅色閃爍表示腔內(nèi)溫度調(diào)整中，綠色表示未進(jìn)行溫度調(diào)整.電源：紅色閃爍表示關(guān)機(jī)中，紅色表示工作正常。112電路局部 電路局部包括溫度控制電路和測(cè)試電路兩個(gè)局部。溫控電路用于太陽能電池片所在的控溫室的溫度控制，在一定范圍內(nèi)，可使控溫室到達(dá)指定溫度。測(cè)試電路用于測(cè)試太陽能電池片各性能的數(shù)據(jù)，該電路將測(cè)得數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和顯示。3控溫室：給太陽能電池片提供一個(gè)-1040的太陽能電池片的測(cè)試環(huán)境。 3、氙燈電源：氙燈電源用于氙燈的點(diǎn)燃、軸流風(fēng)冷以及光源腔體內(nèi)除濕。實(shí)驗(yàn)原理1、光生伏特效應(yīng) 半導(dǎo)體材料是一類特殊的材料，從宏觀電學(xué)性質(zhì)上說它們的導(dǎo)電能力在導(dǎo)體和絕緣體之間，其導(dǎo)電能力隨

6、外界環(huán)境，如溫度、光照等，而發(fā)生顯著的變化。半導(dǎo)體材料具有負(fù)的帶電阻溫度系數(shù)。從材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說，這類材料具有半滿導(dǎo)帶、價(jià)帶和半滿帶隙，溫度、光照等因素可以使價(jià)帶電子躍遷到導(dǎo)帶，改變材料的電學(xué)性質(zhì)。通常情況下，都需要對(duì)半導(dǎo)體材料進(jìn)行必要的摻雜處理，調(diào)整它們的電學(xué)特性，以便制作出性能更穩(wěn)定、靈敏度更高、功耗更低的電子器件?；诎雽?dǎo)體材料電子器件的核心結(jié)構(gòu)通常是pn結(jié)。pn結(jié)簡(jiǎn)單說就是p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的根底區(qū)域。太陽能電池，本質(zhì)上就是pn結(jié)。PN結(jié)結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)有入射光垂直入射到PN結(jié)，只要PN結(jié)結(jié)深比較淺，入射光子會(huì)透過PN結(jié)區(qū)域甚至能深入半導(dǎo)體內(nèi)部。如以下圖所示，如果入射光子能量滿足關(guān)系

7、Eg為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么這些光子會(huì)被材料本征吸收，在PN結(jié)中產(chǎn)生電子空穴對(duì)。光照條件下材料體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)是典型的非平衡載流子光注入作用。在均勻半導(dǎo)體中光照射下也會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們很快又會(huì)通過各種復(fù)合機(jī)制復(fù)合。這種作用有兩方面的表達(dá)，第一是光生少子在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電流，這就是光生電流，它由電子電流和空穴電流組成，方向都是由N區(qū)指向P區(qū)，與內(nèi)建電場(chǎng)方向 一致；第二，光生少子的定向運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反，減弱了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度，PN結(jié)勢(shì)壘高度降低，甚至?xí)耆А：暧^的效果是在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，也就是光生電動(dòng)勢(shì)。光輻照下的PN結(jié)142、太陽能電池?zé)o光照情況下的電流電壓關(guān)

8、系暗特性太陽能電池是依據(jù)光生伏特效應(yīng)把太陽能或者光能轉(zhuǎn)化為電能的半導(dǎo)體器件。如果沒有光照，太陽能電池等價(jià)于一個(gè)pn結(jié)。通常把無光照情況下太陽能電池的電流電壓特性叫做暗特性。近似地，可以把無光照情況下的太陽能電池等價(jià)于一個(gè)理想pn結(jié)。其電流電壓關(guān)系為肖克萊方程： 其中 為反向飽和電流。A、D、np和L分別為結(jié)面積、擴(kuò)散系數(shù)、平衡電子濃度、平衡空穴濃度和擴(kuò)散長(zhǎng)度。153、太陽能電池光照情況下的電流電壓關(guān)系光亮特性光生少子在內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下定向的運(yùn)動(dòng)在PN結(jié)內(nèi)部產(chǎn)生了n區(qū)指向p區(qū)的光生電流IL，光生電動(dòng)勢(shì)等價(jià)于加載在PN結(jié)上的正向電壓V，它使得PN結(jié)勢(shì)壘高度降低qVDqV。開路情況下光生電流與正向電流

9、相等時(shí)，PN結(jié)處于穩(wěn)態(tài)，兩端具有穩(wěn)定的電勢(shì)差VOC，這就是太陽能電池的開路電壓Voc。如圖4所示，在閉路情況下，光照作用下會(huì)有電流流過PN結(jié)，顯然PN結(jié)相當(dāng)于一個(gè)電源。光電流IL在負(fù)載上產(chǎn)生電壓降，這個(gè)電壓降可以使pn結(jié)正偏。如圖3所示，正偏電壓產(chǎn)生正偏電流IF。在反偏情況下，pn結(jié)電流為：隨著二極管正偏，空間電荷區(qū)的電場(chǎng)變?nèi)?，但是不可能變?yōu)榱慊蛘叻雌?。光電流總是反向電流，因此太陽能電池的電流總是反向的。太陽能電池等效電路圖164、太陽能電池的效率太陽能電池從本質(zhì)上說一個(gè)能量轉(zhuǎn)化器件，它把光能轉(zhuǎn)化為電能。因此討論太陽能電池的效率是必要和重要的。根據(jù)熱力學(xué)原理，我們知道任何的能量轉(zhuǎn)化過程都存在效

10、率問題，實(shí)際發(fā)生的能量轉(zhuǎn)化過程效率不可能是100。就太陽能電池而言，我們需要知道轉(zhuǎn)化效率和哪些因素有關(guān)，如何提高太陽能電池的效率，最終我們期望太陽光電池具有足夠高的效率。太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率 定義為輸出電能Pm和入射光能Pin的比值：175.太陽能電池光譜響應(yīng) 光譜響應(yīng)表示不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的能力。定量地說，太陽能電池的光譜響應(yīng)就是當(dāng)某一波長(zhǎng)的光照射在電池外表上時(shí)，每一光子平均所能收集到的載流子數(shù)。太陽能電池的光譜響應(yīng)又分為絕對(duì)光譜響應(yīng)和相對(duì)光譜響應(yīng)。各種波長(zhǎng)的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到太陽能電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長(zhǎng)的分布求得其對(duì)應(yīng)的短路電流變化曲線稱為太陽能電池的

11、絕對(duì)光譜響應(yīng)。如果每一波長(zhǎng)以一定等量的輻射光能或等光子數(shù)入射到太陽能電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流比較，按波長(zhǎng)的分布求得其比值變化曲線，這就是該太陽能電池的相對(duì)光譜響應(yīng)。但是，無論是絕對(duì)還是相對(duì)光譜響應(yīng)，光譜響應(yīng)曲線峰值越高，越平坦，對(duì)應(yīng)電池的短路電流密度就越大，效率也越高。 太陽能電池光譜響應(yīng)測(cè)試：太陽能電池的光譜響應(yīng)R是指在某一特定波長(zhǎng) 處，太陽能電池輸出的短路電流I與入射到太陽電池上的輻射功率的比值：R=I/ 如果在相同條件下測(cè)量太陽能電池，那么太陽能電池的絕對(duì)光譜響應(yīng)可以表達(dá)為：R= RI/ I實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1.太陽能電池的暗伏安特性測(cè)量暗伏安特性是指無光照射時(shí)，流經(jīng)太陽能

12、電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系。本次實(shí)驗(yàn)是在閉光條件下，在不同溫度點(diǎn)測(cè)試太陽能電池的正反向伏安特性。 (1) 暗伏安特性正向測(cè)試測(cè)試步驟：鏡筒加遮光罩，室溫條件下，按圖10原理圖，對(duì)太陽能電池片兩端加0-3.5V的電壓，測(cè)試流入太陽能電池的電流，并記錄數(shù)據(jù)。 鏡筒加遮光罩，改變溫度值，范圍為-10-40。按圖10原理圖，對(duì)太陽能電池片兩端加0-3.5V的電壓，測(cè)試流入太陽能電池的電流，并記錄數(shù)據(jù)。 2暗伏安特性反向測(cè)試測(cè)試步驟：鏡筒加遮光罩，室溫條件下，按圖11原理圖，對(duì)太陽能電池片兩端加0-36V的電壓，測(cè)試流入太陽能電池的電流，并記錄數(shù)據(jù)。 鏡筒加遮光罩，改變溫度值，范圍為-10-40。按

13、圖11原理圖，對(duì)太陽能電池片兩端加0-36V的電壓，測(cè)試流入太陽能電池的電流，并記錄數(shù)據(jù)。202.太陽能電池的光亮特性測(cè)試光亮特性測(cè)試內(nèi)容主要是在不同溫度，不同光照強(qiáng)度，不同光譜的情況下，測(cè)試單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池輸出的電壓，電流，并計(jì)算輸出最大功率和填充因子、轉(zhuǎn)換效率。光亮特性測(cè)試原理圖21 (1) 開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)量 ，不加濾光片，室溫下， 改變氙燈光強(qiáng)大小，測(cè)單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池對(duì)應(yīng)的短路電流，開路電壓。測(cè)量原理見圖13。光強(qiáng)大小由光強(qiáng)探測(cè)器測(cè)得。開路電壓，短路電流與光強(qiáng)關(guān)系測(cè)試原理圖室溫下，插入光強(qiáng)探測(cè)器依次測(cè)量各光強(qiáng)檔位對(duì)應(yīng)的光強(qiáng) 值，并記

14、錄。取出光強(qiáng)探測(cè)器，放入太陽能電池片，選擇光強(qiáng)檔位，按圖13原理圖依次測(cè)量開路電壓，短路電流，并列表記錄數(shù)據(jù)。依次改變光強(qiáng)檔位，按圖13原理圖依次測(cè)量開路電壓，短路電流，并列表記錄數(shù)據(jù)。更換太陽能電池片，重復(fù)步驟。233太陽能電池光強(qiáng)實(shí)驗(yàn) 不加載濾色片，在三種不同光強(qiáng)下測(cè)量單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池片的IV特性(原理見圖12)，得到不同光強(qiáng)下的IV特性曲線、開路電壓、閉路電流數(shù)據(jù)。比較不同光強(qiáng)下伏安特性的差異實(shí)驗(yàn)步驟：插入光強(qiáng)探測(cè)器，選擇光強(qiáng)檔位為1檔，溫度為室溫。列表記錄當(dāng)前光強(qiáng)值。改變光強(qiáng)檔位為2檔，測(cè)量當(dāng)前檔位光強(qiáng)值并記錄。改變光強(qiáng)檔位為3檔，測(cè)量當(dāng)前檔位光強(qiáng)值并記錄。取出光強(qiáng)

15、探測(cè)器，放入太陽能電池片，選擇光強(qiáng)檔位為1檔，改變太陽能電池片的負(fù)載電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I更換太陽能電池片，重復(fù)步驟。選擇光強(qiáng)檔位為2檔，改變太陽能電池片的負(fù)載電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I。更換太陽能電池片，重復(fù)步驟。選擇光強(qiáng)檔位為3檔，改變太陽能電池片的負(fù)載電阻值，列表記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流I。更換太陽能電池片，重復(fù)步驟。4太陽能電池光譜靈敏度實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：最大光強(qiáng)下，室溫環(huán)境下，加載不同濾色片，用光強(qiáng)探測(cè)器測(cè)量透過濾光片后太陽能電池片處的光強(qiáng)值，測(cè)量加載濾光片后單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池片的短路電流I，那么太陽能電池的光譜響應(yīng)值R=I/

16、，通過原理中所述比對(duì)法就可以進(jìn)行光譜響應(yīng)曲線的繪制。實(shí)驗(yàn)步驟：插入光強(qiáng)探測(cè)器，光強(qiáng)檔位選擇為光強(qiáng)最大檔位，溫度為室溫。記錄當(dāng)前光強(qiáng)值。更換濾光片為395。插入光強(qiáng)探測(cè)器，測(cè)量加載濾光片后光強(qiáng)值，取出光強(qiáng)探測(cè)器，依次放入各太陽能電池片，測(cè)試其短路電流，列表記錄數(shù)據(jù)。依次更換濾光片為490nm、570nm、660nm、710nm、770nm 、900nm、1035nm，重復(fù)步驟。放入太陽能電池片，設(shè)定制冷腔溫度值T1,T1范圍為-10-40。當(dāng)制冷腔溫度穩(wěn)定后，依次更換7種濾光片，測(cè)量每種濾光片下太陽能電池片的短路電流并列表記錄數(shù)據(jù)。25一、氙燈光源1.機(jī)箱內(nèi)有高壓，非專業(yè)人員請(qǐng)勿翻開，否那么易造

17、成觸電危險(xiǎn)2.機(jī)箱外表溫度較高，請(qǐng)勿觸摸，防止?fàn)C傷。3.請(qǐng)勿遮擋機(jī)箱上下進(jìn)出風(fēng)口，否那么可能造成儀器損壞。4.氙燈工作時(shí)，請(qǐng)勿直視氙燈，防止傷害眼睛。5.嚴(yán)禁向機(jī)箱內(nèi)丟雜物。6.為保證使用平安，三芯電源線需可靠接地。7.儀器在不用時(shí)請(qǐng)將與外電網(wǎng)相連的插頭拔下。二、氙燈電源1.為保證使用平安，三芯電源線需可靠接地。2.儀器在不用時(shí)請(qǐng)將與外電網(wǎng)相連的插頭拔下。3.氙燈啟動(dòng)時(shí)氙燈光強(qiáng)選擇旋鈕必須放到第6檔，否那么可能無法點(diǎn)亮氙燈。4.關(guān)機(jī)時(shí)，按下關(guān)機(jī)按鈕15秒內(nèi)氙燈未熄滅，說明儀器出現(xiàn)故障，應(yīng)按下緊急開關(guān)按鈕。本卷須知26三、測(cè)試主機(jī)1.風(fēng)扇在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，嚴(yán)禁向內(nèi)丟棄雜物。2.實(shí)驗(yàn)時(shí)請(qǐng)關(guān)閉頂蓋，關(guān)閉頂蓋時(shí)應(yīng)注意平安，不要夾到手指。3.為保證使用平安，三芯電