光伏基础实验(二)讲义

光伏基础实验（二）实验目录实验1 硅电池光伏效应实验实验2 I-V测试系统及电池串并联实验实验3 双电四探针测方块电阻和电阻率实验实验4 反射率谱线测试在镀膜、制绒工艺中的检测实验图1 光伏效应结构示意图 实验1 硅电池光伏效应实验本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。

一、实验目的1、初步了解太阳能电池机理；2、测量太阳能电池开路电压、短路电流、特征电阻与光强之间关系；3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系；4、测试硅电池对红、绿和蓝色光源的光谱响应。

二、实验原理在P 型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n 结（如图1），由于光照，在A 、B 电极之间出现一定的电动势。

在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。

利用它制成的元器件称之为太阳能电池。

光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。

从光伏效应的机理可知，当太阳能电池光照下并外接一负载L R ，太阳能电池输出的电流L I 是光生电流P I 和在太阳能电池端电压V 作用下产生的p-n 结正向电流F I 之差，即L P F I I I =-。

根据p-n 结的电流和电压关系F S e 1qV kT I I ⎛⎫=- ⎪⎝⎭， (1)式(1)中S I 为反向饱和电流，k 为波尔兹曼常数，T 为太阳能电池温度，所以输出电流为L S e 1qV kT P I I I ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭， (2)此即太阳能电池伏安特性表达式。

通常S P I I >>，上式括号内的1可忽略。

图2中的(a)，(b)两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的I -V 特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n 结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了OC V 和SC I 。

实验表明：在V =0情况下，当太阳能电池外接负载电阻L R ，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。

只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值m P ，即所谓最佳匹配阻值L LB R R =，而LB R 则取决于太阳能电池的特征电阻OCCH SCV R I =。

因OC V 和SC I 均随光照强度的增强而增大，所不同的是OC V 与光强的对数成正比，图2太阳能电池的伏安特性SC I 与光强(在弱光下)成正比，所以CH R 亦随光强度变化而变化，如图3所示。

OC V 、SC I 和CH R 都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率m P 和OC V 与SC I 乘积之比mOC SCP FF V I，(3) FF 是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子。

FF 越大，太阳能电池的转换效率就越高。

性能较好的电池其FF 约为0.75-0.85。

太阳能电池的等效电路(如图4)，在一定负载电阻L R 范围内可以近似地视为一个恒流源PS I 与二极管并联。

太阳能电池的光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。

每单位入射单色光功率的短路电流与波长的函数关系。

在生产实践中，光谱响应的测试非常重要。

通过太阳能电池制备工艺的改进，可以改变光谱响应，例如制备浅结结构和表面蒸镀氮化硅减反膜，可提高短波响应；制背面场和制作光反射层衬底以提高长波响应；表面制绒，则改善所有波长的光谱响应。

通过辐照计对三种光源进行标定，分别测量了三种光源在相同的辐射度下，太阳能电池的短路电流，可直观反映太阳能电池的光谱响应特性。

三、实验方法1、光强调节与强度的表示本实验所用光源为LED(发光二极管)，根据LED 的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改变LED 的静态工作电流确定光强的相对值。

仪器设定LED 的工作电流调节范围为0-20mA ，对应显示器上的数值为0-2000。

也可用“归一”法表示光强，即设m J 为最大光强，J 为改变后的光强，则mJ J 为无量纲的相对光强。

2、标尺的设定为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向可调的标尺。

选择三色发光管中任一颜色光源，接通LED 驱动电源，调节D I 指示为1000左右，功能切换开关置OC V 档。

将水平标尺调到10mm 左右；再调垂直标尺，使开路电压OC V 达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。

由于三色LED 的发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。

3、LED 驱动电流源粗调和细调旋钮的使用D I 的调节通过粗调和细调旋钮来实现。

细调旋钮只在D I 输出较高时起作用，图4 太阳能电池等效电路图3 开路电动势、短路电流与光强关系曲线如D I 显示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。

四、实验内容1、测量开路电动势OC V 与光强D I 的关系测量线路如图5所示。

将功能切换开关打到OC V 档，然后将面板上OC V (毫伏表)正、负输入端与PV 装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。

按实验所需光源颜色，接通LED 驱动电源。

并调节标尺找到实验最佳工作状态。

调节D I =0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于PV 装置不完全密封（如导线的入口处），可能有光线漏进装置中，使得OC V 显示不为0。

图5 测量开路电压OC V 线路图调节D I 测量不同光强下，太阳能电池的开路电动势OC V 。

将数据记入表1，并绘制OC V ～D I 曲线，说明其关系。

表1 V ～I 数据B2、短路电流SC I 的测量测量线路图如图6所示。

将功能切换开关打到SC I 档 (注：在开启“DC 0-1V 电源”前请先确认0I 旋钮旋转到最小处，以防在瞬间接通时S U 处于较大值，损坏太阳能电池)；调节DC 0-1V 电源S U 输出，使微安表读数0I 为10.00-18.00μA （建议取10.00μA ）。

在某一光强D I 下，改变可调电阻R 2，使流过检流计(G)的电流G I 为零。

此时AB 两点之间和AC 两点之间的电压应相等，即AB AC V V =。

因而200IR I r =，即短路电流002I r I R =，(4)图6 测量短路电流SC I 线路图测量不同红光光强下，短路电流SC I 与光强D I 的关系，将数据记入表2，并绘制SC I ～D I 曲线，说明其关系。

表2 SC I ～D I 数据3、太阳能电池特征电阻按下式(5)求出太阳能电池的特征电阻CH R ，并绘制CH R ~D I 曲线（自拟表格），说明其关系。

OCCH SCV R I =，(5) 4、流过负载电流L I 与负载两端电压L V 关系测量 选择红光光源进行实验。

测量线路如图7所示。

*R 为实验仪上标示的L I 取样电阻，为10 k Ω；L r 为电阻箱；将L I 取样电阻*R （正、负记号端）与L I （微安表）正、负端对应连接，功能切换开关打到L I 档 。

太阳能电池在恒定光照下(取D I 约为1000)，测量在不同负载电阻L R 时流过的电流L I 与输出电压L V =()*+R r I L L ，将数据记入表3，并绘制L I ~L V 曲线 。

图7 负载特性测量线路图 图8 光电流与负载电阻两端电压关系曲线计算不同负载电阻下输出功率P ，即P=L V L I ，并绘出P ~L R 曲线 ，说明其关系，确定m P 时的LB R 及填充因子FF SCOC mI V P = 。

表3 L I 、L V 与P 数据5、测试硅电池对红、绿和蓝色光源的光谱响应实验中光源为红、绿、蓝三种颜色的二极管，通过调节流过发光二极管的电流I d 可以改变LED 的输出功率，从而改变照射在电池上的光谱辐射度。

通过FZ-A 型辐照计测试LED 的辐射度。

当发光二极管的电流I d 改变时，I SC 也随之变化，图9为I SC 与I d 之间的关系曲线。

由图9可知，太阳能电池的短路电流均随着红、绿、蓝LED 驱动电流的增加近似线性增大，这是因为LED 驱动电流增大时，LED 发光功率线性增大，照射在太阳能电池上的光子通量也线性增大，太阳能电池产生的光生载流子也线性增加，因此短路电流近似线性增大。

图9中对三条实验数据曲线进行线性函数拟合，显然三条拟合直线的斜率不同，为了分析此原因，又测试了红、绿、蓝LED 驱动电流I d 与相应辐射度Φ之间的关系曲线，如图10所示。

由图10可知，I d 相同时，蓝色LED 的辐射度最大，并随I d 增大变化最快，而绿色LED 的辐射度最小，且变化最慢，这主要是由LED 的发光效率不同而引起的。

I d (mA)I S C (μA )I d (mA)φ (μw /c m 2)测出红、绿、蓝LED 在辐射度相同时，太阳能电池的短路电流，填入表4图10 LED 光源辐射度与LED 驱动电流关系图图9 短路电流I SC 与LED 驱动电流I d 关系图表4 相同辐射度下所对应的短路电路比较太阳能电池在相同的辐射功率辐照下，红绿蓝三种LED 光源对应的短路电流的大小关系，分析被测太阳能电池对哪种颜色的光的光谱响应最大。

五、思考题1. 你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？2. 分析直接用福特表测量电池的开路电压的数据与电池开路电压的实际值的差别与哪些因素有关？3. 测量SC I 时，若G I 不为零，如何根据G I 的正、负号，确定增减R 阻值，如GI 为负是加大R 还是减小R ？4. 为什么图2曲线b 相对于曲线a 是向下而不是向上平移？5. 分析当太阳能电池作为光控制器件使用时，应如何选择偏压方向？六、注意事项因为突然给LED 光源施加或断掉一个大的冲击电流，会烧毁LED 光源，所以，在给LED 接通或断掉驱动电源前，务必将电流都调节为0，也即，将实验箱上的D I 调节旋钮逆时针旋转到底。

*注：如英国瓦特麦德公司研制的太阳能电风扇，风扇系统由长1米高0.5米的太阳能电池板（55瓦）、逆变器等部件组成，逆变器将DC 电源转换为AC 110伏供电扇使用，该系统除平时对自身供电外，多余的电能可对蓄电池充电，以供太阳能供电系统受光照发生变化时使用。

又如美国通用公司制造的太阳能汽车，其太阳能电池板采用转换效率高达18%的新材料（一般硅太阳电池约为12%），汽车时速为75公里。

据最新报道我国在湖北宜昌经济技术开发区投资建设年产4500—5000吨太阳能硅材料生产基地。

尤其令人振奋的是到2008年北京奥运村的空调、照明的电源都将来自光伏发电。

面对我国正大力发展新能源建设的前景，莘莘学子，真可谓是广阔天地大有作为！Φ (μw/cm ) I dI SC (μA) red LED I SC (μA) green LED I SC (μA) blue LED10红 5.1绿 9.2 蓝 0.56 15 红 7.75绿 16.4 蓝 0.85实验2 太阳能电池I-V测试及串并联实验【实验目的】1、掌握太阳能电池I-V特性测试系统的基本组成。