实验20 太阳能电池特性的测量

实验20 太阳能电池特性的测量太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。

目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。

利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。

太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21世纪的热门课题。

太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的器件。

由这种器件与相配套的装置组成的太阳能电池发电系统具有不消耗常规能源、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪声、无污染等优点。

世界上第一块实验用半导体太阳能电池是美国贝尔实验室于1954年研制的。

经过50多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。

目前太阳能电池的应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域，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。

太阳能是一种清洁的“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。

【实验目的】1．探讨太阳能电池的基本特性；2．研究无光照时太阳能电池在外加偏压时的伏安特性；3．测量太阳能电池有光照时的输出特性，并求出它的短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子；4．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。

【预备问题】1．如何对光具座的同轴等高调节？2．太阳能电池在使用时正负极能否短路？普通电池在使用时正负极能否短路？3．太阳能电池的基本工作原理是什么？4．填充因子的物理意义是什么？如何通过实验方法测量填充因子？【实验仪器】太阳能电池特性实验仪（包括光具座、滑块、光源、太阳能电池、遮光板、光功率计、直流稳压电源、遮光罩、单刀双掷开关等）、万用表、电阻箱。

【实验原理】1．太阳能电池的结构以晶体硅太阳能电池为例，它以P型硅半导体材料作为基质材料，通过在表面的N型杂质扩散而形成PN结，N型半导体为受光面，为了减少光的反射损失，一般在整个表面覆盖一层减反射膜，在N型层上制作金属栅线作为正面接触电极，在整个背面也制作金属膜作为图20-1 太阳能电池结构图背面欧姆接触电极，这样就形成了晶体硅太阳能电池，如图20-1所示。

竭诚为您提供优质文档/双击可除太阳能电池特性的测量实验报告篇一：太阳能电池特性测量实验本科学生实验报告学号姓名学院物电学院专业、班级12级光电子班实验课程名称太阳能电池特性测量实验教师及职称开课学期学期填报时间日云南师范大学教务处编印一、实验设计方案篇二：实验报告--太阳能电池伏安特性的测量实验报告姓名：张伟楠班级：F0703028学号：5070309108实验成绩：同组姓名：张家鹏实验日期：08.03.17指导教师：批阅日期：太阳能电池伏安特性的测量【实验目的】1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线【实验原理】1．太阳电池的结构以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）的经过重掺杂的n型层．然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．图一太阳电池结构示意图2．光伏效应图二太阳电池发电原理示意图当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区．同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区．如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（photovoltaiceffect,缩写为pV）．3．太阳电池的表征参数太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Iph．同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反．因此，实际获得的电流I为（1）式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n称为理想系数（n值），是表示pn结特性的参数，通常在1~2之间．q为电子电荷，kb为波尔茨曼常数，T为温度．如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则（1）式可写为（2）当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），由（2）式可得到短路电流即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I=0，由（2）和（3）式可得到开路电压（3）当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏–安特性曲线如图2所示．负载R可以从零到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率pm为（4）式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子FF，则（5）FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．。

太阳能电池的特性测量一、课堂笔记的预习二、实验内容（1）调整仪器：图1 实验仪器①连接电流表，使电流表与电池、可变电阻串联，调节量程为直流200 mA.②连接电压表使之与电池并联，调节量程为直流3 V.③连接卤素灯与稳压源，使电池充分接受卤素灯照射。

（2）测量：①接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并调节卤素灯电源输出功率，使得短路电流在45 mA.②逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流值、电压值，记入表格。

③断开电路，测量并记录开路电压。

④调节卤素灯电源输出功率分别使短路电流为35 mA, 25 mA, 15 mA, 并重复上述测量和数据记录。

⑤在不同照度下，测量太阳能电池输出功率P和负载电阻R的函数关系。

三、数据记录四、数据处理与结果分析根据以上测量数据，可以得到以下数据。

：同一短路电流下测得的最大功率所对应的变阻器阻值。

：内阻阻值。

：同一短路电流下测得的最大功率。

：填充因子，用于表征光电转换效率，越接近1，光电转换效率越高。

其中：由以上叙述和公式可以得到以下表格。

表2 由原始数据导出的数据能电池的伏安特性曲线如下。

图2 不同短路电流下太阳能电池的伏安特性曲线可以看出，该伏安特性曲线与理想的伏安特性曲线相近。

五、思考题1.温度会对太阳能电池带来什么影响？温度会影响太阳能电池的开路电压，短路电流，输出功率。

决定开路电压大小的是半导体的禁带宽度和费米能级，由于温度越高，其费米能级越靠近价带，所以温度越高其开路电压越小，也就是说，温度--开路电压二者的曲线大概是一个斜率为负值的直线。

温度与短路电流的关系是温度越高短路电流越大，但是需要注意的是这里短路电流升高的趋势要小于上面第一条中开路电压下降的趋势，也就是说温度—短路电流二者的曲线是一个斜率略微为正值的直线。

因为温度升高的时候开路电压下降很厉害，其幅度比短路电流升高的幅度要大，所以在温度升高的时候其总输出功率是下降的，因为P=UI，U下降的厉害，而I上升的幅度很小。

太阳能电池的特性测量实验目的1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s 。

2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。

3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。

原理当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1）。

那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。

只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。

在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，也称为耗尽区。

在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。

只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。

光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。

这导致在n 区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。

它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。

这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect ）。

图1 太阳能电池的工作原理太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。

当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。

同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反。

因此，实际获得的电流I 为两个电流之差：)()(D S U I ΦI I -= （1）如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。

由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。

大学物理研究性实验报告_太阳能电池的特性测量摘要：本实验旨在通过特性测量方法研究太阳能电池的工作机理和特性参数，并验证太阳能电池的光伏效应。

在实验中，使用太阳能电池组分别测量其短路电流、开路电压、最大功率输出和填充因子等参数，并绘制出其伏安特性曲线和功率曲线。

实验结果表明，太阳能电池的输出电流、输出电压和输出功率都随光照强度的增加而增加，但是衰减左右场景不同，衰减较快的为室外光照强度较强场景。

太阳能电池的最大功率输出点需根据不同光照强度下自行求解，而填充因子对太阳能电池的输出功率有显著影响。

关键词：太阳能电池；特性测量；伏安特性曲线；功率曲线；光伏效应；填充因子 1. 实验原理太阳能电池是一种将光能直接转换为电能的装置，其工作原理是基于光伏效应。

当光照射在半导体材料上时，会在材料内部产生电子-空穴对，即通过光照，半导体材料内的电子从价带跃升到导带，留下空穴。

由于这些电子和空穴在电场作用下会分别向相反的电极移动，因此在同一方向引出电流，形成光生电动势。

太阳能电池的主要参数包括短路电流$I_{sc}$、开路电压$V_{oc}$、最大功率输出$P_{max}$和填充因子$FF$。

短路电流是在电池组端口短路状态下的输出电流，而开路电压是在电池组端口开路状态下的电压。

最大功率输出是在负载电阻为某一特定值时，电池组所输出的最大功率。

填充因子是指在最大功率输出条件下，电池组实际输出功率与在同等照射强度下能产生的最大功率之比，即$FF=P_{max}/(V_{oc}\times I_{sc})$。

2. 实验方法（1）测量太阳能电池的短路电流$I_{sc}$将太阳能电池组放置在光源下，使其所在平面与光线垂直，调节光源照射强度至较大值，记录短路电流的数值。

此时，太阳能电池组端口暂时不接任何负载电阻。

（图1）（3）测量太阳能电池的最大功率输出$P_{max}$和填充因子$FF$将太阳能电池组放置在光源下，使其所在平面与光线垂直，调节光源照射强度至较大值，依次接入不同大小的负载电阻，并记录每种电阻下的电池组输出电压和输出电流的数值，计算输出功率。

太阳能电池基本特性的测量【实验简介】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，已应用于许多民用领域，如太阳能汽车、太阳能收音机、太阳能电站，目前太阳能作为一种清洁、绿色的再生能源有着广泛的应用前景。

本实验主要研究太阳能电池的基本特性、吸收光能转变为电能的特性。

【实验目的】（1）测定太阳能电池在无光照条件下的伏安特性，验证它与二极管具有相同的特性 （2）测定太阳能电池在光照时的输出特性，并求出短路电流、开路电压、最大输出功率及填充因子（3）测定太阳能电池随光照变化的特性。

【实验仪器】光具座、太阳能电池、数字万用表两块、电阻箱、直流电源、光功率计和探头、开关、电路板、导线 【实验原理】太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，正向偏压u 与通过电流I 的关系为0(1)u I I e β=-，0I 和β是常数。

根据半导体理论，二极管主要是由能隙为c v E E -的半导体构成，c E 为半导体电带，v E 为半导体价电带。

入射光光子的能量为hv (h 为普朗克常数，v 为光的频率)，当光子能量c v hv E E >-时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对，它们分别受到半导体内电场作用而产生光电流。

太阳能电池在工作时的简化电路如图所示，它可等效为一个电流源与二极管的并联。

由图可知：0(1)uph d ph I I I I I e β=-=--当输出短路时：0u = 短路电流sc ph I I I ==当输出开路时：0I = 代入上式得：(1)0u ph I I e β--= →0(1)oc u sc I I e β=- oc u 为开路电压图一图二【实验内容】1、在无光照条件下测量太阳能电池正向偏压时的I U -特性（1工作。

（2）按图一连接线路，置电阻箱电阻为1k Ω，调节电源的输出电压，使太阳能电池两端电压从0.5~3V 范围内的变化，分别记下太阳能电池和电阻两端的电压1u 和2u 。

太阳能电池特性实验报告太阳能电池特性实验报告引言：太阳能电池是一种利用太阳能将光能转化为电能的装置，具有环保、可再生等特点，被广泛应用于各个领域。

为了深入了解太阳能电池的特性和性能，我们进行了一系列的实验，本报告将对实验过程和结果进行详细介绍和分析。

实验一：太阳能电池的光电流特性在本实验中，我们使用了一台太阳能电池测试仪，通过调节光照强度和测量电流、电压的变化，来研究太阳能电池的光电流特性。

实验结果显示，当光照强度逐渐增大时，太阳能电池的电流也随之增大。

这是因为光照强度的增加会激发更多的光子进入太阳能电池，从而产生更多的电子-空穴对，进而增加电流。

然而，当光照强度达到一定值后，电流的增加趋势开始趋于平缓，这是因为太阳能电池的内部电场已经饱和，无法再继续增加电流。

此外，我们还发现太阳能电池的电流与电压呈反比关系。

随着光照强度的增加，电流增大，但电压却逐渐降低。

这是因为太阳能电池的内部电阻会导致电压损失，而随着电流的增大，这种损失也会变得更加明显。

实验二：太阳能电池的温度特性在本实验中，我们通过改变太阳能电池的温度，来研究太阳能电池的温度特性。

实验结果显示，随着太阳能电池温度的升高，电流呈现出先增大后减小的趋势。

这是因为在较低温度下，电子和空穴的复合速率较低，电流较小；而在较高温度下，电子和空穴的复合速率加快，电流逐渐增大。

然而，当温度超过一定值后，电流开始下降，这是因为高温会导致太阳能电池内部的电子迁移率下降，从而减小了电流。

此外，我们还发现太阳能电池的温度对电压的影响较小。

随着温度的升高，电压基本保持稳定，这是因为太阳能电池的内部电场对温度变化不敏感。

实验三：太阳能电池的寿命特性在本实验中，我们通过长时间连续使用太阳能电池，来研究太阳能电池的寿命特性。

实验结果显示，太阳能电池在连续工作一段时间后，其性能会逐渐下降。

这是因为长时间的工作会导致太阳能电池内部材料的劣化，从而降低了太阳能电池的转换效率。

物理实验太阳能电池特性测定原理太阳能电池是一种将太阳光转换为电能的装置，它可以直接将太阳光转换为电能，具有清洁、可再生等优点。

太阳能电池的特性测定是判断太阳能电池输出电压、输出电流、光伏效率、填充因子等参数，这些参数决定了其在不同应用场合中的表现。

以下是太阳能电池特性测定的原理和方法。

1.光伏效应原理当光线照射在太阳能电池的PN结上，光能被吸收并激发带正负电荷的电子，带电的电子在PN结中形成电场，可产生电压和电流。

这种现象就是光伏效应，具有一定的光伏响应度。

2. IV 曲线原理通过测量太阳能电池在不同电压下的输出电流大小，可以绘制出一条 V-I 曲线。

在这条曲线上，太阳能电池的最大功率输出点为最大功率点(MPP)，对应的工作电压为最大功率点电压(V_mpp)，对应的工作电流为最大功率输出电流(I_mpp)。

从这条 V-I 曲线上还可以计算出填充因子、开路电压、短路电流等参数。

1. 实验装置太阳能电池、V-I 测量仪、多用表、光强计。

2. 实验步骤步骤一：准备实验装置。

将太阳能电池放在太阳下，使其接收到光照。

将 V-I 测量仪和多用表与太阳能电池接好。

步骤二：测量太阳能电池的开路电压和短路电流。

使用多用表测量太阳能电池的开路电压和短路电流，其中，短路电流是指将电路中两端短接后所得到的最大电流值。

步骤三：绘制 V-I 曲线。

使用 V-I 测量仪在太阳能电池的电路中连续测量不同电压下的输出电流大小。

记录数据并绘制 V-I 曲线。

步骤四：计算填充因子、最大功率点电压和最大功率输出电流。

步骤五：计算光伏转换效率。

使用光强计测量所接受的光强度，并使用测量得到的太阳能电池输出电流和光强度计算光伏转换效率。

三、总结太阳能电池的特性测定是重要的实验内容，通过测量各个参数可以确定太阳能电池在不同应用场景下的表现。

在实验中，需要使用多个实验设备，综合运用光学、电学的知识进行测量。

同时，也需要注意实验环境和实验操作的安全。

太阳能电池特性的测量实验报告一、实验目的本实验旨在研究太阳能电池的特性，包括开路电压、短路电流、最大功率点以及填充因子等参数，深入了解太阳能电池的工作原理和性能特点，为太阳能电池的应用和优化提供实验依据。

二、实验原理太阳能电池是一种基于半导体pn 结光生伏特效应的能量转换器件。

当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子的能量被半导体吸收，产生电子空穴对。

在内建电场的作用下，电子和空穴分别向 n 区和 p 区移动，形成光生电流和光生电压。

1、开路电压（Voc）当太阳能电池处于开路状态时，即外电路电阻无穷大，此时输出的电压即为开路电压。

开路电压与半导体材料的禁带宽度、光照强度和温度等因素有关。

2、短路电流（Isc）当太阳能电池的输出端被短路，即外电路电阻为零，此时流过的电流即为短路电流。

短路电流主要取决于光照强度和电池的面积。

3、最大功率点（Pm）在不同的负载电阻下，太阳能电池的输出功率不同。

当负载电阻与太阳能电池的内阻匹配时，输出功率达到最大值，此时对应的工作点称为最大功率点。

4、填充因子（FF）填充因子是衡量太阳能电池性能的重要参数，定义为最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值，即 FF ＝ Pm ／（Voc × Isc)。

三、实验仪器与材料1、太阳能电池实验装置包括太阳能电池板、可变电阻箱、数字电压表、数字电流表、光源等。

2、计算机及数据采集软件四、实验步骤1、连接实验电路将太阳能电池板与可变电阻箱、数字电压表和数字电流表按照正确的电路连接方式连接好。

2、测量开路电压在光源关闭的情况下，将可变电阻箱调至无穷大，测量太阳能电池的开路电压 Voc，并记录数据。

3、测量短路电流在光源关闭的情况下，将可变电阻箱调至零，测量太阳能电池的短路电流 Isc，并记录数据。

4、测量不同负载下的输出特性打开光源，调节可变电阻箱的阻值，从大到小依次测量不同负载电阻下太阳能电池的输出电压 V 和输出电流 I，并记录数据。

太阳能电池特性测试实验报告一、1.1 实验目的与意义随着科技的不断发展，太阳能作为一种清洁、可再生的能源越来越受到人们的关注。

为了更好地了解太阳能电池的性能，提高太阳能电池的转换效率，我们进行了一次太阳能电池特性测试实验。

本实验旨在通过理论分析和实验验证，探讨太阳能电池的工作原理、性能参数及其影响因素，为太阳能电池的研究和应用提供理论依据。

二、2.1 实验原理太阳能电池是一种将太阳光能直接转化为电能的装置。

其工作原理是利用半导体材料的光电效应，当太阳光照射到半导体表面时，光子能量被吸收，使得半导体中的电子跃迁至导带，形成自由电子和空穴对。

在P-N结界面，自由电子和空穴相遇时，产生电场，从而产生电流。

太阳能电池的输出电压与太阳辐射强度成正比，输出电流与太阳辐射强度的平方成正比。

三、3.1 实验设备与材料1. 太阳能电池模块：用于接收太阳光并产生电流。

2. 数字万用表：用于测量电流和电压。

3. 短路开关：用于保护电路。

4. 直流电源：用于给太阳能电池模块供电。

5. 光纤激光器：用于产生单色光束。

6. 光谱仪：用于测量光强和光谱。

7. 数据处理软件：用于记录和分析实验数据。

四、3.2 实验步骤与方法1. 将太阳能电池模块安装在光源和数字万用表之间，确保模块表面与光源平行。

2. 用短路开关连接太阳能电池模块的正负极。

3. 用直流电源给太阳能电池模块供电。

4. 用光纤激光器产生单色光束，使其经过一个分束镜后分为两束光线。

5. 其中一束光线经过一个透镜后聚焦在太阳能电池模块上，另一束光线经过一个偏振片后得到一个具有一定相干度的光束。

6. 将光谱仪放置在聚焦后的光线附近，测量光强和光谱分布。

7. 用数据处理软件记录实验数据，并进行分析。

五、实验结果与分析通过本次实验，我们得到了太阳能电池模块的输出电流和电压数据。

我们还观察到了太阳光在经过分束镜、透镜和偏振片后的光谱分布情况。

根据实验数据和光谱分析结果，我们得出了太阳能电池的光电转换效率以及其随太阳辐射强度变化的关系。