太阳能电池的基本特性研究

太阳能电池的基本特性研究贺超1,2，3（1,孙越崎学院.2,2014-2班.3，学号：01140085）摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源问题已经成为越来越值得关注的社会与环境问题。太阳能电池是一种将太阳或其他光源的光能直接转化为电能的器件，目前太阳能电池已被应用于许多民用领域。本文主要介绍太阳能电池的基本特性以及基本原理,并设计实验来测量太阳能的开路电压、短路电流以及它们与入射光强度的关系，同时来太阳能电池的输出伏安特性曲线。在此基础上预测太阳能电池的发展趋势。关键字：太阳能电池输出伏安特性曲线开路电压短路电流AStudyonthebasiccharacteristicsofsolarcellsHEChao1,2,3（1,SUNYueqiHonorsCollege.2,Class2014-2.3.SID:01140085）Abstract:Humanbeingsarefacedwiththedualpressuresoflimitedconventionalenergyandenvironmentaldamage.Energyissueshasbecomemoreandmoreattentiontothesocialandenvironmentalissues.Solarcellisadevicethatcandirectlyconvertsunlightorotherlightsourceintoelectricalenergy,andsolarcellhasbeenusedinmanycivilfields.Thispapermainlyintroducesthebasiccharacteristicsandbasicprinciplesofsolarcells,andthedesignoftheexperimentalmeasurementofthesolarenergy,theopencircuitvoltage,shortcircuitcurrentandtherelationshipbetweenthemandtheincidentlightintensity,whiletheoutputvoltageofsolarcells.Onthisbasis,wewillpredictthedevelopmenttrendofsolarcells.（一）太阳能电池的简介太阳能电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。太阳能电池类型（按材料分）包括：硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极性电池、纳米经化学太阳能电池。硅系太阳能电池可分为以下几类：1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池的光电转换效率为17%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，大部分厂商一般都是提供25年的质量保证。单晶柔性太阳能组件：可弯曲太阳能组件也称柔性组件，所谓柔性，是指该电池板可折弯。折弯角度可达30度。单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约15%左右。从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。3.非晶硅太阳能电池非晶硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。太阳能电池的基本结构太阳能电池用半导体材料制成，其中多为面结合pn结型，依靠pn结的光伏特效应产生电动势。其中，n型导体的纯度很高、厚度很薄，其表面采用高温扩散法把硼扩散极薄一层形成p层。其基本原理图如下（二）太阳能电池的基本工作原理：光子打中太阳能板，并被半导体材料吸收。电子(带负电的载子)吸收光子，并脱离原子核，而在材料中移动，产生电流。经过适当的元件设计，电子仅能朝一个方向流动。许多元件组合成阵列，将足够的光能转换成直流电，以供使用。太阳能电池在没有光照时的特性可视为一个二极管，在没有光照的时候，它的电压和电流的关系式为：0(e1)UIIβ式子中，0I和β为常数。由半导体理论，二极管主要是由能隙为CVEE的半导体构成的，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的电场的影响而产生光电流。太阳能电池的理论模型如图二所示。(三)太阳能电池的光电转化效率太阳能电池在实现光电转化的时候，并非所有照射在电池表面的光能全部转化为电能.在太阳照射下，太阳能电池的最高转化效率目前也仅仅有22%左右。影响观点转化效率的因素主要有吸收过程中的光学损失、光伏转化过程中的光激发电子-空穴对的复合和电流输出过程中的损耗等。光学损失主要是由于光照射到电池板上，在正反两面发生的反射和折射等现象。波长过长的光不再激发电子-空穴对，波长过短的光虽然能激发电子-空穴对，但能量在打，一个光子也只能激发一个电子-空穴对，对其电动势没有贡献。因此，电流在传输过程中有一定的损失。验证太阳能电池的基本特性太阳能电池无光照时的伏安特性曲线设计出如下的实验电路图，改变直流电压的大小，得到如图所示的伏安特性曲线2.太阳能电池的开路电压和短路电流与入射光强度的关系太阳能电池的开路电压是太阳能电池在外电路断开时两端的电压，也就是太阳能电池的电动势。太阳能电池的开路电压取决于太阳能电池的材料，而且还与入射光强度有关，在相同光照射下，不同材料制作的太阳能电池的开路电压不同。其规律为：太阳能电池开路电压与入射光强度的对数成正比，也就是开路电压随着入射光强度的增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大的越缓慢。设计如下实验进行验证：应用YJ-GD-3A光电综合试验仪进行试验。调节入射光强度为1000lx-100lx,测量十组有效数据：得到的U和I关于光照强度曲线如下图所示：经试验验证，所得的结果与理论一致。3.在一定入射光强度下太阳能电池的输出特性不改变原先的实验装置，本实验要求在一定入射光强度下（1000lx），保持入射光强度不变，研究太阳能电池的输出特性。测量当太阳能接上负载R时，改变R的大小，从0-无穷大，测量在不同负载电阻下太阳能电池的输出电压与电流。所得到的U-I曲线如下图：（四）太阳能电池的发展趋势太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。在太阳能的有效利用中，太阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域。提高转换效率和降低成本是太阳能电池一直被考虑的两个因素。所以目前的硅系太阳能电池，要想进一步提高转换效率是比较困难的。因此，今后的研究重点应集中到如何降低成本上来。在新的世纪,可持续发展已成为世界的第一大主题。太阳能对可持续发展的重要战略意义使得各国竞相发展太阳能电池技术,促使它在近几年得到快速发展。结论：针对实验二得到结论：太阳能电池开路电压与入射光强度的对数成正比，也就是开路电压随着入射光强度的增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大的越缓慢。可持续发展已成为世界的第一大主题。太阳能对可持续发展的重要战略意义使得各国竞相发展太阳能电池技术,促使它在近几年得到快速发展。人类将进一步发展太阳能电池技术，使之更好地服务人类。参考文献：[1]赵玉文.太阳能电池进展[J].物理,2004,(2):99-105.[2]苗锟.关于太阳能电池发展现状及其前景的探讨.百度文库[3]王远.太阳能电池及其应用技术研究.硕士论文2006.5.11[4]林红,李鑫,刘忆翥,李建保.太阳能电池发展的新概念和新方向.