科大奥瑞物理实验——太阳能电池的特性测量

实验名称：太阳能电池的特性测量

1. 实验目的：

2. 实验器材：

太阳能电池
插件板
稳压源
卤素灯
万用表

3. 实验原理

当光照射在距太阳能电池表面很近的PN结时，只要入射光子的能量大于半 导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对(如图1)。那些在PN结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散。只 要少数载流子离PN结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率的载流子扩散到 结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在空间电荷区，也称为耗尽区。 在耗尽区中，正负电荷间形成电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建 电场。这些扩散到结界面处的少数载流子(空穴)在内电场的作用下被拉向p区。
同样，在PN结附近p区中产生的少数载流子(电子)扩散到结界面处，也会被内建电场迅速拉向n区。结区内产生的电子-空穴对在内电场的作用下分别移向n区和p区。这导致在n区边界附近有光生电子积累，在p区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与PN结的内建电场方向相反的光生电场，在PN结上产生一个光生电 动势，其方向由p区指向n区。这一现象称为光伏效应(Photovoltaic effect)。

太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的光生电流Is。同时，由于PN结二极管的特性，存在正向二级管电 流ID，此电流方向从p区到n区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I为两个电流之差：
= (∅) – (1)
如果连接一个负载电阻R，电流I可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流IS，以及取决于端电压U的正方向电流IDU。
由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线(见图2)。在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流IDU可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流IDU迅速增加。

在一定光照强度下太阳能电池的伏安特性(Umax，Imax：最大功率点) 当太阳电池的输出端短路时，可以得到短路电流，它等于光生电流IS。当太 阳电池的输出端开路时，可以得到开路电压U0。 在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R。太阳能电池的 输出功率在负载电阻为Rmax时达到一个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。

这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小(见图2)，它们之比为

F称为填充因数。
此外，太阳能电池的输出功率
= ∗ (4)
是负载电阻 = (5) 的函数。
我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会产生更大的开路 电压U0，而并联会产生更大的短路电流IS。在本实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录在四个不同的光照强度时电流和电压特性。光照强度通过改变光源的距离和电源的功率来实现。

4. 实验内容与步骤

1．仪器调整，实验装置图如图示3所示。
(1)把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来，串联起2个太阳能电池。
(2)插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上。
(3)连接电流表，使它和电池、可变电阻串联。选择测量范围：直流200mA。
(4)连接电压表使之与电池并联，选择量程：直流3V。
(5)连接卤素灯与稳压源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光。
2．测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U0和短路电流Is
(1)接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变卤素灯的距离和调节电源输出功率，使短路电流大约为45mA。
(2)逐步改变负载电阻值降低电流，分别读取电流和电压值，记入表格。
(3)断开电路，测量并记录开路电压。
(4)调节电源功率，分别使短路电流约为35mA，25mA和15mA，并重复上述测量。
3．在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P和负载电阻R的函数关系。

5. 实验记录

原始数据：

6. 数据处理及误差分析

7. 思考题及实验小结

1.温度会对太阳能电池带来什么影响？
温度会影响太阳能电池的开路电压，短路电流，输出功率。
决定开路电压大小的是半导体的禁带宽度和费米能级，由于温度越高，其费米能级越靠近价带，所以温度越高其开路电压越小，也就是说，温度﹣开路电压二者的曲线大概是一个斜率为负值的直线。
温度与短路电流的关系是温度越高短路电流越大，但是需要注意的是这里短路电流升高的趋势要小于上面第一条中开路电压下降的趋势，也就是说温度一短路电流二者的曲线是一个斜率略微为正值的直线。
因为温度升高的时候开路电压下降很厉害，其幅度比短路电流升高的幅度要大，所以在温度升高的时候其总输出功率是下降的，因为P=UI，U 下降的厉害，而上升的幅度很小。
2．设计一个实验测量光生电流IPH
连接太阳能电池与负载，在光强E和负载一定的情况下，测量负载上的电流大小，随后使得光照为0，负载不变，再测量此时的电流大小心（方向与／相反）。
则该光强 E 下光生电流 IpH = INIpo

实验小结

1. 连接电路时，保持太阳能电池无光照条件。
2. 辐射光源的温度较高，应避免与灯罩接触，防止烫伤。