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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/（I *U）。SC
2、OC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，I和0是常数。oI 二 I （e卩u 1）（1）o由半导体理论，二极管主要是由能隙为 E E 的半导体构成，如图 1 所示。 EC V C为半导体导电带， E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半 V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R与一个电阻R
3、所组成，如图2所示。sh s图 2 太阳能电池的理论模型电路图图 2 中， I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流， I 为光照时通过太阳ph d能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：IR + U（I -1 -I）R = 0（2）s ph d sh（ 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，RU3)1（1 + _） = I - -1R ph R d shsh假定R =g和R = 0，太阳能电池可简化为图3所示电路。shs图 3 太阳能电池的简化电路图这里，I = I I = I I (epu -1)。在短路时，U = 0 , I 二 I ；ph d p
4、h 0 ph sc而在开路时，I = 0 , I I (e(3uc 1)二 0 ；sc 0uOC1I二一 ln sc +1 P I 04)OCP 是常数。(4)式即为在R 和R = 0的情况下，太阳能电池的开路电压U 和短路电流 Sh SI的关系式。其中u为开路电压，I为短路电流，而I、SC OC SC 02. 全暗条件下测量太阳能电池正向偏压时 UI 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
5、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.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I和开路电压u .SCOC3.4 求太阳能电池的最大输出功率及电压.3.5计算填充因子FF = P /(I U ).m SC OC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40W )、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
6、量太阳能电池正向偏压时 UI 特性U（V）0.6570.7490.8861.1541.1381.1492.0012.2862.424U2（mV）37.945.558.088.0119.0154.4312.6410.8581.61（卩 A）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1 = epu -1，当u较大时，epu 1，即lnI = pU + lnI由最小二乘法，将表 I00中最后 6 数据处理得：求出:p 二 1.5898V-1，In I = 2.5696，I 二 13.0601r A，斜率
7、：r = 0.9956。00U/(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。2.恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性图 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。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。通过最小二乘法拟合得到I =2.9200mA,开路电压U二3.4056V,最大输出功率SC OCP=5.1075mW,根据FF = P /
8、(I U )，得到 FF=0.5136。m SC OC3. 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I的忽略导致的误差；0c. 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
探究太阳能电池的输出特性
