浙江科技学院开放实验报告
太阳能电池基本特性的测量
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理学院实验中心
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。
【实验目的】
1． 在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏
安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。
2． 测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作伏安特性曲线图，由图求得它的短路电
流(SC I )、开路电压(OC U )、最大输出功率m P 及填充因子()[])U I /(P FF OC SC m ∙。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3． 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流SC I 和相对光强度)x /x (J /J 00=之间关
系，画出SC I 与相对光强)x /x (J /J 00=之间的关系图；测量开路电压OC U 和相对光强度)x /x (J /J 00=之间的关系，画出OC U 与相对光强)x /x (J /J 00=之间的关系图。
【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，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：
)1e (I I U o -∙=β (1)
(1)式中，o I 和β是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成，如图1所示。C E 为
半导体导电带，V E 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。
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sh R 与一个电阻s R 所组成，如图2所示。
图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 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：
0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ （2）
（2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得：
d sh
ph sh s I R U
I )R R 1(I --=+
（3） 假定∞=sh R 和0R s =，太阳能电池可简化为图3所示电路。
这里，)1e
(I I I I I U
0ph d ph --=-=β。
在短路时，0U =，sc ph I I =；
而在开路时，0I =，0)1e (I I oc U
0sc =--β；
∴]1I I ln[1U 0
sc
OC
+β=
（4） （4）式即为在∞=sh R 和0R s =的情况下，
太阳能电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短
路电流，而0I 、β是常数。
【实验装置】
光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池板、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、碘钨灯白光光源1只（功率W 100/V 220）、7JK -型传感器专用信号源[直流V 15~0连续可调有短路保护及延时恢复功能、方波信号及音频（音乐）信号]、导线若干、遮光罩1个。
【实验内容】
1．在无光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的U ~I 特性： （1）按实验要求画出测量的实验线路图；
（2）根据正向偏压时U ~I 关系测量数据，画出U ~I 曲线并求得常数β和0I 的值。 2．在白光光源照射下，不加偏压，测量太阳能电池光照特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持cm 20不变。 （1）画出测量线路图。
（2）测量电池在不同负载电阻下，I 对U 变化关系，画出U ~I 曲线图。 （3）用外推法求短路电流SC I 和开路电压OC U 。
（4）求太阳能电池的最大输出功率和最大输出功率时对应的负载电阻。 （5）计算填充因子)U I /(Pm FF OC SC ∙=。 3．测量太阳能电池的光照特性：
在暗箱中（用遮光罩挡光），我们把太阳能电池在距离白光光源cm 20x 0=的水平距离接受到的光照强度作为标准光照强度0J ，然后改变太阳能电池到光源的距离i x ，根据光照强度和距离成反比的原理，计算出各点对应的相对光照强度i 00x /x J /J =的数值。
测量太阳能电池在不同相对光照强度0J /J 时，对应的短路电流SC I 和开路电压OC U 的值。 （1）描绘短路电流SC I 和相对光强度0J /J 之间的关系曲线，求短路电流SC I 和与相对光照强0J /J 之间近似函数表达式。
（2）描绘出开路电压OC U 和相对光照强度0J /J 之间的关系曲线，求开路电压OC U 与相对光照强度0J /J 之间近似函数表达式。
【实验数据范例】（注：以下数据仅供实验时参考，不作为仪器验收标准，） 1． 在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I 和太阳能电池
的输出电压U ：测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池与电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：
表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
