太阳能电池探究亮特性光照强度关系 - 图文(2)

能电池的性能参数主要有：开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pm、转换效率η和填充因子FF。

光生少子在内建电场驱动下的定向运动在pn结内部产生了n区指向p区的光生电流IL，光生电动势等价于加载在pn结上的正向电压V，它使得pn结势垒高度降至q（VD-V）。理想情况下太阳能电池负载等效电路如下图，把光照下的pn结看作一个理想的二极管和恒流源并联。恒流源的电流即为光生电流IL，IF为通过二极管的结电流，RL为外加负载。可见，太阳能电池就相当于一个电源。该等效电路的物理意义是：太阳能电池光照后产生一定的光电流IL，其中一部分用来抵消结电流IF，另一部分供给负载的电流I。有等效电路图可知：

I?IL?IF?I?eV???L?S?exp???1???k0T????I (4)

光生电流在光电池内部总是由N区向P区反向流动，因此太阳能电池的电

流总是反向的。

根据上面的等效电路图，有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻RL=0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，pn结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称之为短路电流Isc:

Isc?IL (5)

其二是负载电阻RL→∞，外电路处于开路状态。流过负载的电流为零，根据等效电路图，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压Voc就是所谓的开路电压。显然有

I?I得到开路电压Voc为：

?L?Sexp???IeVkT?oc??o? （6）

VOC?k0TlnILeIS (7)

开路电压Voc和短路电流Isc是光电池的两个重要参数，实验中这两个参数分别为稳定光照下太阳能电池I-V特性曲线与电压、电流轴的截距。不难理解，随着光照强度E增大，太阳能电池的短路电流和开路电压都会增大，但是随光强变化的规律不同：根据半导体物理基本理论，短路电流Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数增大。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大，它的最大值是使得pn结势垒高度为零时的电压值。换句话说，太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒对应的电势差VD，是一个材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下，开路电压值Voc与Eg/q相当。

太阳能电池从本质上说是一个能量转换器件，它把光能转换为电能。因此讨论太阳能电池的效率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转换过程都存在效率问题，实际发生的能量转换效率不可能是100%。就太阳能电池而言，我们需要知道的是，转换效率与哪些因素有关以及如何提高太阳能电池的 转换效率。太阳能电池的转换效率η定义为最大输出功率Pm和入射光的总功率Pin的比值：

其中，Im、Vm为最大功率点对应的工作电流、工作电压，Ee为由光探头测得的光强度（单位：W/m2）,S为太阳能电池片受光照射的面积（有效光照面积）。

PmImVm???100%??100%PinEeS(8)

图5为太阳能电池的输出伏安特性曲线，其中Im、Vm在I-V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压。最大功率矩形取值点Pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I-V曲线上横、纵坐标乘积的最大值点。短路电流和开路电压也形成一个矩形，面积为IscVoc。定义：

ImVmFF?IscVoc

为填充因子，图形中它是两个矩形面积的比值。填充因子反应了太阳能电池么实现功率的度量，通常德填充因子在0.5~0.8之间。

太阳能电池的转换效率是它的最重要的参数。太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度。只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。太阳能电池效率损失的原因主要有：电池表明反射、电子和空穴在光敏感层之外由于重组而造成的损失，以及光敏层的厚度不够等因素。综合来看，单晶硅太阳能电池的最大量子效率的理论值大约是40%。实际上，大规模生产的太阳能电池的效率还达不到理论极限的一半，只有百分之十几。

(三）实验设备

本仪器定位于探究性实验系统，除可以测量配套的样件以外，实验者还可以

利用本系统测量其自制电池片组件。系统主要包括：氙灯电源、光源、测试、配套软件、USB通信线、电池片组和滤光片组。

一起组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和显示由计算机软件来完成。整机图片（图8）和仪器构成示意图（图9）如下：

1.光路部分

本设备光路简洁，由氙灯光源、凸透镜、滤光片构成。 2.测试主机

（1）面板介绍：（见下图10）

紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针旋转自动归位 关机按钮：正常关机按钮 开机按钮：正常开机按钮

PC接口：与计算机通信的USB接口

光源同信接口：与氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息（暂未使用） 故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常 工作状态指示灯：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整 电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。 （2）电路部分

电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太阳能电池片所在的控温室的温度控制，在一定范围内，可使控温室达到指定温度。测试电路用于太阳能电池片各性能的数据，该电路将测得的数据传送给计算机，由计算机进行数据的处理和显示。 （3）控温室

给太阳能电池片提供一个-10℃~40摄氏度的恒温测试环境。

3.氙灯电源与氙灯光源

（1）氙灯电源：氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内除湿。面板介绍：（见下图11）

紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针选转自动归位 关机按钮 开机按钮

光源通信接口：与测试主机通信，传送氙灯光源的状态信息（暂未使用） 光强选择档位：从1档到6档光强逐渐增大

故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常、 工作状态指示灯：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整。 电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示正常工作。

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