光伏效应实验

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1、实验 418 光伏效应实验随着全球对能源的需求日益增长,人类已面临着两大难题：一是地球上储量有限的燃料资 源而引发的能源危机；二是以煤等化石燃料的大量燃烧所排放的CO2和SO2气体，导致的环 境污染和温室效应，使人类的生存环境不断恶化。加速发展清洁而可再生的太阳能，降低温 室气体排放量，已成为全球的共识。许多国家都把光伏发电作为优先发展项目，美国、希腊 等国均已建成多座兆瓦级阳光电站，并启动了“屋顶光伏”计划，即以家庭为单位进行安装阳 光发电。我国将在2020年前建成五座兆瓦级阳光电站。专家们早在十多年前就预言：光伏是 21世纪高新技术发展的前沿之一，预测在本世纪中叶，光伏发电将成为重要的发电

2、技术之一， 作为阳光电站的基石太阳能电池，目前占主流的还是硅系列（单晶、多晶和非晶）太阳 能电池。此外,多元化合物太阳能电池，如：砷化镓（耐高温）、铟硒（成本低、性能稳定， 与非晶硅薄膜结合组成叠层太阳电池，以提高太阳能利用率）以及钾氟化合物太阳电池（高 效）等，近年来发展也较迅速，预示着光伏发电的前景可谓春色满园。本实验以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握 测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。【实验目的】1初步了解光电池机理。2测量光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系。3在恒定光照下测量光电流，输出功率与负载之间关系 。【实验原理

3、】在P型半导体上扩散薄层施主杂质而形成的p-n结（如图4-18-1）,由于光照，在A、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流， 这种现象称为光伏效应。利用它制成的元器件称之为光电池。光伏效应最重大的应用是可以 将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。从光伏效应的机理可知（见附录），光电池输出的电流I是光生电流I和在光生LP电压Vp作用下产生的P-n结正向电流If之差，即L = IP - IF。根据p-n结的电流和电压关系电极qVPI 二I （e穿-1）FS式中VP是光生电压，IS为反向饱和电流，所以输出电图4-18-1光伏效

4、应结构示意图（光电池模型）qVpI 二 I -1 (ekT -1)(4-18-1)L P S此即光电流表达式。通常I 口 I，上式括号内的1可忽略。S对于光电池有外加偏压时，(4-18-1)式应改为4-18-2)I = I +1 二 I +1 (e眷-1)L LL S上式中I (ekT -1)，就是p-n结在外加偏S压V作用下的电流。图4-18-2中的(a)、(b)两条 曲线分别表示无光照和有光照时光电池的I-V特 性，由此可知，光电池的伏安特性曲线相当于把 p-n 结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵 轴的截距分别给出了其开路电动势voc和短路电流I 。SC实验表明：在V =0情况下，当光

5、电池外接负 载电阻R时，其输出电压和电流均随R变化而LL变化。只有当Rl取某一定值时输出功率才能达到最大值Pm，即所谓最佳匹配阻值Rl = RlbV而R 则取决于光电池的内阻R =-oc。由于V 和I均随光照强度的增强而增大，所不LBi IOC SCSC同的是V 与光强的对数成正比，I与光强(在弱光下)成正比，如图4-18-3所示，所以R亦随光强度变化而变化。ocOCSCi、SC和R.都是光电池的重要参数。最大输出功率Pm与VOCISC 乘积之比，可用下式表示FF(4-18-3)PmV IOC SC上式中FF是表征光电池性能优劣的指标，称为填充因子。如图4-18-4所示光电池的等效电路在一定负

6、载电吧范围内可以近似地视为由一 个电流源I戶内阻R并联，再和一个很小的电极电阻R串联的组合。PS i S图4-18-3开路电动势、短路电流与光强关系曲线图4-18-4光电池等效电路【实验仪器】TK-PV1 型光伏效应实验仪。【实验内容与步骤】1光强的调节和表示本实验所用光源为LED（发光二极管），根据LED的输出功率与驱动电流呈线性关系，利 用改变LED的静态工作电流确定光强的相对值I 。本仪器设定LED的静态工作电流调节范D围为OmA20mA ,对应显示器上的数值为02000。（也可用“归一”法表示光强，即设Jm 为最大光强， J 为任意的光强，则 J /J 为无量纲的相对光强）。mI的大小

7、通过粗调和细调旋钮来调节。细调旋钮只在I输出较大时起作用，如I显示 D D D 为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。2 标尺的设定为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向的移动标尺。选择三色发光管中任意一种颜色光进行调试，接通LED驱动电源，调节I指示为1000 D左右，功能切换开关置于V 档。将水平标尺调到10mm左右；再调节垂直标尺，使开路电 OC压V 达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色LED的 OC发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调节垂直标尺。3测量开路电动势

8、V篙光强I的关系OC D测量线路如图4-10-5所示。将功能切换开关置于V档，然后将面板上V （毫伏表）正、OC OC负输入端与pv装置的光电池正、负输出端对应连接。按实验所需光源颜色，接通Led驱动 电源。并调节标尺找到实验最佳工作状态。调节I = 0 （即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于pv装置不完全密封（如导线的 D入口处），有光线漏进装置中，使得V 显示不为0,实验时应将此数值记录下来，并在数据的OC后继处理时将其减去。调节I，测量不同光强下光电池的开路电动势V 。自拟表格记录数据，并绘制V D OC OCI 曲线。D图4-18-5测量开路电压匕线路图4测量短路电流*与光强ID的关

9、系测量线路如图4-10-6所示。将功能切换开关置于I档；调节DC01V电源U输出,SCS使微安表读数10为10.00yA18.00yA （建议取10.00pA）。在某一光强I下，改变可调电阻R，使流过检流计的电流I为零。此时AB两点之间DG和AC两点之间的电压应相等，即V = V 。因而IR二I r，即短路电流AB AC0 04-18-4)上式中，r0为微安计内阻（1曲）。C图4-18-6测量短路电流Isc线路图调节/ ,测量不同光强下，光电池的短路电流I ，将数据记入表4-18-2,并绘制RDscm d曲线。5按下式计算出光电池的内阻R,自拟表格记录数据，并绘制RR曲线。ii DR 二i6

10、测量输出功率P与负载电阻RL的关系 选择三色LED中任意一种光源进行实验。产(4-18-5)sC图4-18-7负载特性测量线路图测量线路如图4-18-7所示。其中，R*为实验仪上标示的I取样电阻（10 KQ）, R为L电阻箱，负载电阻R = R* + R。本实验中将仪器面板上的R*两端与I正、负端并联，同LL时功能切换开关置于I档。L光电池在恒定光照下（取ID约为1000），改变R的大小，测量流过不同负载电阻R厶的电 流I并计算输出电压V二IR。自拟表格记录数据，并绘制VI曲线。L L L L L L计算不同负载电阻下输出功率P，即P = VI，并绘出PR曲线，确定最大输出功率LLP P时的负

11、载电阻R 及填充因子FF = m。mLBV IOC SC 注：如若再选用另外颜色光进行实验，表格自拟。【思考与创新】1. 开路电压V 、短路电流I如何随光强而变化？为什么开路电压V （硅）的最OC SC OC大值不超过0.6V ?你能设想如何实现高电压大电流的阳光发电方案吗？2. 测量I时，若I不为零，如何根据I的正、负号，确定增减R阻值？（如I为SC G G G 负是加大 R 还是减小 R。）3. 为什么图4-18-2中曲线b相对于曲线a是向下而不是向上平移？并分析当光电池作 为光控制器件使用时，应如何选择偏压方向？4. 试就本实验测定I的方法与用图4-18-2伏安特性曲线确定I的方法，进行

12、讨论。SC SC【附 录】I. 光伏效应机理图4-18-9、图4-18-10分别表示在无光照（即热平衡时）和有光照时p-n结空间电荷层 模型和相应的能带示意图。如正文图4-18-1所示，在n型扩散层足够薄的条件下，光线可以透过n层进入空间电荷 区，只要光子的能量大于材料的禁带宽度，就能够将满带的电子激发到导带，产生光生电子 空穴对（如图4-18-10所示），在p-n结内电场（从n区指向p区）作用下电子进入n区，空穴 进入p区。形成自n区向p区的光生电流J。与此同时，光生电子一空穴对因中和掉部分空 间电荷使空间电荷区变窄，势垒降低，其作用就等效于在p-n结施加一正向电压，产生从p 区流向n区的正

13、向电流I 。光生电流I和光生正向电流I均通过p-n结，但方向相反。FPF在开路情况下势垒必然降低到使I”和J相等，从而使通过p-n结的光电流为零。p-n结两端 建立起稳定的电势差Vp（p区相对于n 区为正），这就是光生电动势，其值等于势垒下降高度。 当p-n结接上外电路时，通过负载的电流即为正文所述/ = I -I 。L P F正离子电子丨内电场丨负号匸宀 1一 1/工八範锻1e e i歩唱ee就釦ee1斗.1ng 鸟间电荷P E变窄q (vp-vp)j 护丫 p区qFp_f_,ef门区ng空间电! p EI荷区丨图 4-18-9 无光照图 4-18-10 有光照图中代表失去一个电子而带正电施

14、主离子，口代表空穴代表得到一个电子而带负电受主离子，代表电子注：对于光子在n型扩散层和p型半导体内激发光生电子一空穴对的情形（如图4-18-11 所示），同学可自行分析。但应该注意以下两点：1形成光生电流Ip只来自非平衡少数载流子的贡献，即p区中的电子，n区中的空穴。2能带弯曲部分对n区和p区的多子而言均为势垒，即起阻挡层作用。图4-18-11光照II. TK-PV1 型 光伏效应实验仪使用说明书TK-PV1 型光伏效应实验仪以单晶硅光电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量开路电压及短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。本实验内容丰富，构思新颖，方法独特，

15、性能稳定，而且适用面广（光电池涉及固体物 理学、光学、电子学、化学、材料学等），是目前高校值得推荐的教学产品。1. 实验仪简介本实验效果图如图4-18-12 所示，该实验仪分五个部分：TK-FW1型光伏效应实验仪天科教仪PV装置光源和光伏电池）0-20mA可调恒流源r DC 0-1V-,oo-iv可调稳压源Io (uA)0-100图 4-18-12 实验仪1） PV 装置PV 装置是一个内设光源和待测试样的暗箱。试样装在右侧箱壁，设有红、黑两个接线孔。 红色对应于光生电压正极。光源装在一圆管的前端，并固定在左右、上下可调的标尺上，以 调节光源与试样的距离和试样表面光照度。箱顶部设有观察窗，便于

16、检查光源工作正常与否。 逆时针水平旋动观察窗手柄为开启。注意：操作时只许轻轻水平拨动手柄，严禁朝下按压手 柄。LED 的电源输入端设有多个驱动插孔，其中黑色为电源公共端，其他红、绿、蓝接口分 别对应 R、G、B 光 。图 4-18-13 PV 装置暗箱内三色LED发光管和光电池示意图如图3所示：三色笈光管电源输入端光电池光电池输出端图 4-18-14 暗箱内光源与光电池示意图2）LED 驱动电流源提供LED驱动电流I，由I调节和显示两部分组成，位于实验箱的左边。I的调 D D D节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在I输出较高时起作用（如I显示为1900DD 时，最后一位“0可”能会跳动，这

17、时可通过调节细调旋使其稳定）。 I 输出的红、黑两插 D孔分别与 PV 装置的光源驱动输入端对应连接。仪器设定 LED 的工作电流调节范围为 0-20mA ，对应显示器上的数值为0-2000 。3）功能切换开关功能切换开关位于实验箱右边，分别有I 、I、V 三档。I （微安表）只在测SC L OC 0量I时开启，当测量I和V时I （微安表）将被自动关闭。SC L OC 04）DC 01V稳压源01V可调电压源位于实验箱的最右边，在测量I时作为外加电源。当I测量结SC SC 束时关闭该电源的输出。5）电阻箱电阻箱位于实验箱的中部，其量程为999.999K 。在测量I时该电阻箱作为平衡SC电阻R使

18、用，在测量光电池输出性能实验时作为可调的外接负载R使用。L2. 性能指标1）0-20mA 可调恒流源输出电流：020mA,连续可调，调节精度可达0.01mA；电流稳定度：优于103（交流输入电压变化10）； 负载稳定度：优于103（负载由额定值变为零）；1电流指示：3刁位LED显示，精度不低于0.5%。厶2）I 、I和V显示器L G OC用3斗位LED显示，精度不低于0.5%；厶Il为负载电流测量范围：019.99yA；I 为流过检流计电流 测短路电流时用；GVOC为开路电动势测量范围：01999mV。3）0-1V 直流可调稳压源输出电压：01V,连续可调，调节精度可达1mV；电压稳定度：优于

19、103（交流输入电压变化10%）； 负载稳定度：优于103（交流输入电压变化10%）。4）数字微安计测I用0调节范围：0lOO.OyA,精度可达0.1/A；电流指示：32位LED显示，精度不低于0.5%。厶5）电阻箱调节范围：0999.999KQ。3. 使用说明1）标尺调节方法选择三色发光管中任意一种颜色进行调试，接通 LED 驱动电源，调节 I 指示为 1000 D左右。功能切换开关置V 档，将水平标尺调到10mm左右；再调垂直标尺，使开路电压VOC OC 达到最大值。并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色LED的发光中 心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。2）ID输出粗调、细调旋钮I的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在I输出较高时起作用（如I显示 D D D 为 1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定）。3）数字微安计（ I ）0功能切换置厂档，数字微安计（I ）处于工作状态；当功能切换在V和I档时，微SC 0 OC L 安计不工作，显示器熄灭。4）本实验提供的连接线为直插式带弹簧片导线，在接线或拆线时应持“手枪头”进行操 作，特别在拆线时，严禁直接拉扯导线，否则导线易遭损坏。