实验十五太阳能电池特性研究及应用(部分)

12级电科专业《专业实验》安排表（2015下半年）内容班级太阳能电池特性研究黄瑞强PN结特性叶会亮导热系数罗飞二阶电路邹文强电源特性邹文强声光电路黄瑞强数字万用表刘燕勇光电传感器刘志勇电科12112周32028周310111周32059周310316周310315周320713周320510周3303电科12213周32029周310112周32058周310315周310316周320714周320511周3303说明：14周3（上课时间为第14周星期3；上课地点为物理实验室103教室。）103每一时间段实验为4学时，下午上课时间：14:30-17:30每次实验上课前需认真预习相关实验内容并写好预习报告每位学生准备8张16开实验报告纸，8张32开原始记录纸。讲义份数：导热系数？份,电源特性？份,声光电路？份。所开设实验的房间管理由各位老师自己承担。实验十五太阳能电池特性研究及应用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(SCI)、开路电压(OCU)、最大输出功率mP及填充因子)UI/(PFFOCSCm。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SCI和相对光强度)x/x(J/J00之间关系，画出SCI与相对光强)x/x(J/J00之间的关系图；测量开路电压OCU和相对光强度)x/x(J/J00之间的关系，画出OCU与相对光强)x/x(J/J00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(IIUo(1)(1)式中，oI和是常数。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。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。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。【实验装置】光具座、滑块支架、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W100/V220）、直流稳压电源（V15~0连续可调）、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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cm20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SCI和开路电压OCU。（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)UI/(PmFFOCSC。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cm20x0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ix，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i00x/xJ/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SCI和开路电压OCU的值。（1）描绘短路电流SCI和相对光强度0J/J之间的关系曲线，求短路电流SCI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OCU和相对光照强度0J/J之间的关系曲线，求开路电压OCU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)k(R)V(U1)V(U2R/U)A(I2Iln50.0045.0040.0035.0030.0025.0020.0015.008.005.002.001.000.00根据图7可以看到，电流与电压的指数关系得到验证。如果用户有V0.3~0直流可调电源，则可采用下面图8实验电路：正向偏压在V0.3~0变化条件下，取1000R。实验步骤与表格请同学自拟。2.不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离cm20，测量太阳能电池的输出电流I对太阳能电池的输出电压U的关系，测量电路与图5一样。测量结果如表2所示：表2恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录51015202530)(R)V(U1)mA(I)mW(P354045505560657075808590951001502005008001000由图9得短路电流A102.0ISC，开路电压V88.5UOC。太阳能电池在光照时，输出功率UIP与负载电阻R的关系如图10所示，由图10可得到最大输出功率：mW446Pmax，此时负载电阻55R，于是得填充因子如下：744.088.5102.010446UIPFF3ocscm。3．测量太阳能电池短路电流SCI和开路电压OCU与相对光照强度0J/J的相对关系，对于短路电流SCI可以直接用万用表的电流档测量，开路电压OCU可以直接用万用表的电压档测量。把测量结果记录在表3中：表3太阳能电池短路电流SCI、开路电压OCU与相对光照强度0J/J对应关系灯与太阳能电池距离相对光照强度)A(ISC)V(UOC)cm(xi0J/J50484644424038363432302826242220从图11和图12中找出短路电流SCI、开路电压OCU与相对光强0J/J的近似函数关系为：)J/J(AI0sc(5)C)J/J(BInU0oc(6)利用最小二乘法拟合，得033.0)J/J(1332.0I0SC，相关系数9980.0r；4763.1)J/J(In(5463.1U0oc，相关系数9920.0r。从最小二乘法拟合中，可知对短路电流SCI和开路电压OCU关系式（5）式和（6）式成立。参考资料：1．贾玉润、王公治、凌佩玲大学物理实验，上海：复旦大学出版社，19862．茅倾青、潘立栋、陈骏逸、陆申龙太阳能电池基本特性测定实验，物理实验，第24卷第11期，2004.11【太阳能电池的应用及相关电路实验】1．太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到%30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到%10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的%50以上，太阳能光伏发电将占总电力的%20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到%80以上，太阳能发电将占到%60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。目前太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两种，它们各自的特点决定了它们在不同应用中拥有不可替代的地位。但是，未来10年晶体硅太阳能电池所占份额尽管会因薄膜太阳能电池的发展等原因而下降，但其主导地位仍不会根本改变；而薄膜电池如果能够解决转换效率不高、制备薄膜电池所用设备价格昂贵等问题，会有巨大的发展空间。（1）按图1，在九孔板上插上相应元器件，并用导线或短接桥接通电路。（2）太阳能电池板和白光光源装在光具座上，相对距离取cm20~10。（3）闭合白光光源电源开关，闭合1S开关（4）调节充电电流，让太阳能电池板产生的电压对法拉电容充电，充电电流大小由电流表1A指示。（5）当电容充电充足后，即相当于一个电池组。可以对外供电。2．直流升压就是将较低的直流电压（如电池），提升到需要的直流电压值。其基本的工作过程都是：高频振荡产生低压脉冲——脉冲变压器升压到预定电压值——脉冲整流获得高压直流电，因此直流升压电路属于DC/DC电路的一种类型。在使用电池供电的便携设备中，都是通过直流升压电路获得电路中所需要的高电压，这些设备包括：手机、传呼机等无线通讯设备、照相机中的闪光灯、便携式视频显示装置、电蚊拍等电击设备等等。本实验是将太阳能电池产生的电压进行升压，演示实际的升压系统。实验步骤如下：（1）在九孔实验板上按图2选择元器件并连接实验线路如图2a。（2）将太阳能电池的输出电压作为线路的输入电压，闭合开关1S，适当调节3R,使电压表显示输出电压值等于V12~9。(3)按图3线路连接实验线路,重复以上步骤.。3.用光控的应急电路实验:参照以上内容,自拟实验步骤。4．简单的光通讯演示实验：