探究太阳能电池的输出特性

1探究太阳能电池的输出特性一、引言能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。二、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，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流ISC、开路电压UOC、最大输出功率Pm及填充因子FF，[FF=Pm/(ISC*UOC)]。三、实验原理1、太阳能电池工作原理：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：(1)式中，oI和是常数。)1e(IIUo(1)由半导体理论，二极管主要是由能隙为VCEE的半导体构成，如图1所示。CE为半导体导电带，VE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。图1电子和空穴在电场的作用下产生光电流2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shR与一个电阻sR所组成，如图2所示。图2太阳能电池的理论模型电路图图2中，phI为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，dI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)III(UIRshdphs（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，dshphshsIRUI)RR1(I（3）假定shR和0Rs，太阳能电池可简化为图3所示电路。图3太阳能电池的简化电路图3这里，)1e(IIIIIU0phdph。在短路时，0U，scphII；而在开路时，0I，0)1e(IIocU0sc；]1IIln[1U0scOC（4）(4)式即为在ShR和0RS的情况下，太阳能电池的开路电压OCU和短路电流SCI的关系式。其中OCU为开路电压，SCI为短路电流，而0I、是常数。2.全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时U—I特性2.1使用0~3.0V直流可调电源，测量电路如图4所示，连接时应注意电池的正负极性.图4全暗时太阳能在外接偏压式伏安特性电路2.2不断调节直流可调电源的电压得到正向偏压时的U－I关系数据，画出U－I图线3.恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性3.1在不加偏压时，用光源照射，保持光源到太阳能电池距离为20cm，测量太阳能电池的特性，测量电路如图5所示.4图5无偏压恒定光照下的伏安特性测量电路3.2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.3.3求短路电流SCI和开路电压OCU.3.4求太阳能电池的最大输出功率及电压.3.5计算填充因子)]UI/(PFF[OCSCm.四、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、数字万用表2只、电阻箱1只、白炽灯光源1只（射灯结构，功率W40）、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。五、数据记录及处理1.全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时U—I特性)V(U10.6570.7490.8861.1541.1381.1492.0012.2862.424)mV(U237.945.558.088.0119.0154.4312.6410.8581.6)A(I37.945.558.088.0119.0154.4312.6410.8581.6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由1eIIU0，当U较大时，1eU，即0IlnUIln由最小二乘法，将表中最后6数据处理得：求出:11.5898V，0ln2.5696I，013.0601IA，斜率：0.9956r。500.511.522.50100200300400500600700Markx:XBlackline:y=13.0601*exp(1.5898*x)I/(μA)U/(V)图6全暗条件下太阳能电池U/I的图由伏安特性曲线图得知：随着电压的增大，电流也增大00.511.522.52.533.544.555.566.5Markx:XBlackline:y1=1.5898x+2.5696lnIU/(V)图7全暗条件下太阳能电池的U/lnI图由伏安特性曲线图得知：随着电压的增大，电流也增大。62.恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性)(R)V(U1)mA(I)mW(P)(R)V(U1)mA(I)mW(P2000.6012.851.712944002.9320.661.93513000.8752.832.476346002.9380.641.88034001.1422.793.186248002.9450.611.79646001.6212.664.311950002.9500.591.74058002.0062.484.974955002.9600.541.598410002.2702.255.107560002.9700.491.455312002.4442.024.936965002.9780.461.369914002.5581.824.655670002.9870.421.254516002.6411.644.331275002.9910.401.196418002.6931.494.012680002.9940.371.107820002.7411.363.727885002.9970.351.048922002.7781.263.500390003.0010.330.990324002.8071.163.2561100003.0120.300.903626002.8311.083.0575200003.0390.150.455828002.8511.012.8795300003.0490.100.304930002.8670.952.7236400003.0540.070.213832002.8800.902.5920500003.0560.060.183434002.8910.852.4573600003.0580.050.152936002.9010.802.3208700003.0600.040.122438002.9080.762.2101800003.0610.040.122440002.9170.732.1294900003.0620.030.091942002.9250.692.0182表2恒定光照下(1000lx)太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录700.511.522.533.500.511.522.53U/VI/mAMarkx:XBlackline:y1图8一定光照下太阳能电池的U/I图由上图得知：随着电压的增大，电流逐渐变小。00.511.522.533.50123456Markx:XBlackline:y1U/VP/(mW)图9一定光照下太阳能电池的U/P图由图得知：随着电压的增大功率也逐渐增大，但到一定功率时，再逐渐减小。8通过最小二乘法拟合得到SCI=2.9200mA，开路电压3.4056OCUV，最大输出功率P=5.1075mW,根据)]UI/(PFF[OCSCm，得到FF=0.5136。3.误差分析：3.1系统误差：a.电流表与电压表内阻以及导线内阻接触电阻对实验的影响；b.最小二乘法拟合中对0I的忽略导致的误差；c.因为导线的接入导致遮光罩没有完全密封；d.万用表及变阻箱造成的误差.3.2随机误差：a.万用表读数不稳定；b.导线的接入电阻；c.温度及电源电压的频繁波动；d.实验台面有微小振动导致光强并不恒定；e.光源自身功率并非绝对恒定造成的误差.六、注意事项1.连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。2.避免太阳光照射太阳能电池。3.连接电路时，保持电源开关断开。七、结束语本文从太阳能电池的结构、工作原理出发,论述了表征太阳能电池特性的短路电流、开路电压、填充因子等参数。对于了解太阳能电池的基本特性有很大的帮助,同时,对太阳能电池的设计和测试也有一定的指导作用。汇报人：张晨2013.06.24