太阳能电池的基本特性测量

中文摘要

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，也是可利用的最直接的清洁能源之

一。而太阳能电池则是把太阳能直接转换电能的一种器件。主要是通过光生伏打效应，简单的说，当物体受到光照时，其内部电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流。本论文的目的在于测量太阳能电池的转换效率，在实验过程中采用的是晶体硅太阳能电池板，在暗室中以汞灯和钠灯作为光源，分别测出在钠灯和汞灯的照射下，不同距离、不同波长，不同负载，同一光照度的I-U，记录其数据并画出相关的U-I曲线。讨论分析此太阳能电池板的性能，计算出其填充因子。

关键词： 太阳能电池， 转换效率， 不同波长， 不同负载，开路电压， 填充因子

Abstract

Solar energy is the inexhaustible renewable energy, clean energy is one of the most directly available. The solar cell is the direct conversion of solar energy electric energy device. Mainly through the photovoltaic effect, said simply, when the objects are light, the internal charge distribution changes caused electromotive force and current.The purpose of this paper is to measure the conversion efficiency of solar cells used in the experiment, in the process of the crystal silicon solar panels, in the dark with mercury lamp and sodium lamp as the light source, were measured in the sodium lamp and mercury lamp irradiation, different distance, different wavelength, different load, with the illumination of I-U, record the data and draw the U-I curves. Discuss the performance analysis of the solar panels, calculate the fill factor.

Keywords: solar cell conversion efficiency, different wavelength, different load, open circuit voltage, and fill factor

目录

第一章 引言 .................................................................................................................. 2

1.1能源危机 ............................................................................................................... 2

1.2我国能源概况......................................................................................................... 2

1.3太阳能发展历史及现状 ........................................................................................... 3

第二章 太阳能电池的基本特性测量 ................................................................................. 6

2.1太阳能电池测量原理 ............................................................................................... 6

2.2实验前的测量准备 .................................................................................................. 8

2.3太阳能电池在不同特性的参数测量 ........................................................................... 8

2.3.1太阳能电池离光源不同距离特性测量 ............................................................ 10

2.3.2 太阳能电池在汞灯照射下的特性测量 ........................................................... 10

2.3.3 太阳能电池在钠灯照射下的特性测量 ........................................................... 16

2.3.4 相同光照度下太阳能电池的I-U曲线 ............................................................. 19

第三章 结论 ............................................................................................................... 22

参考文献 .................................................................................................................... 23

致谢 ........................................................................................................................... 24

第一章 引言

1.1能源危机

能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。煤炭，石油等矿物能源的使用，产生大量的二氧化碳、二氧化硫等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的二氧化碳已经超过500亿吨。所以减少排放二氧化碳、二氧化硫等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。

广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都是属于太阳能，它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。

1.2我国能源概况

从图1-1我们可以看出，我国目前的能源结构以化石能源尤其是煤为主。从长远上来看，化石能源并不是可再生能源，我国的石油储量并不丰富。即使是煤，按现在的开采速度，本世纪内也将趋于枯竭。除储量问题之外，化石能源对环境的污染问题也日益严重，因此国家拟将发展新能源的问题提到战略高度。

电力本身是一种清洁能源，我国2013年全年发电量52451亿千瓦时，同比增长7.6%，2013年全年全国全口径水电发电量为8963亿千瓦时。可见绝大部分电力是由火电厂通过燃烧煤得到的。显然，除了水力之外，我们还需要其他的可持续性能源用于发电。其中，核电的远景规划是在2020年达到全国装机容量3600万千瓦，占到总发电量的4%。可是，

能够用于核裂变的重元素蕴藏量并不是很丰富。

图1-1 2013年中国常规能源消费比例

于是人们自然将眼光投向了取之不尽、用之不竭的太阳能。与其让太阳能通过漫长的岁月转化为化石能源，或是通过复杂的大气过程转化为风能、水能。不如直接将太阳能转化为电力。目前最直接最高效的实现方法，就是光伏发电，利用材料的光生伏特效应将光能转变为电能。

我国是世界上太阳能最丰富的地区之一，特别是西部地区，年日照时间达3000小时以上。太阳能分布最丰富的是青藏高原地图，可与地球上最好的印巴地区相媲美。全国

2/3以上的地区年日照大于2000小时，年均辐射量约为5900MJ/㎡。青藏高原、内蒙古、宁夏、陕西等西部地区光照资源尤为丰富，而我国无电地区大多集中于此。我国各地区的太阳能资源分布如图1-2所示

1.3太阳能发展历史及现状

从1839年法国科学家E.Bequerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）算起，太阳能电池经过了160多年漫长的发展历史。从总的发展来看，基础研究和技术进步都起到了积极推进的作用。对太阳能电池的实际应用起到了决定性作用的是美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳能电池的研制成功，在太阳能电池发展历史上起到了里程碑的作用。至今为止太阳能电池的基本结构和机理没有改变，太阳能电池后来的发展主要是薄膜电池的研发，如非晶硅太阳能电池，CIS太阳能电池，CdTe太阳能电池和纳米敏化太阳能电池灯，此外主要的生产技术的进步，如丝网印刷、多晶硅太阳能电池生产工艺的成功开发，特别是氮化硅薄膜的减反射和钝化技术的建立以及生产工艺的高度自动化等。

图1-2中国太阳能资源分布图

太阳能光伏发电时新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。这意味着未来几年，世界光伏产业将成为世界上发展最快的一个行业。加上各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的发展。预计到21 世纪中叶，太阳能光伏发电将成为人类的基础能源之一。

围绕降低光伏发电成本的各种开发工作一直在发达国家紧张的进行，其中以晶体硅材料为基础的高限电池和各种薄膜电池为基础研究工作的热点课程。经过努力，已有许多新的突破，由McGehee和Grtzel领导的小组在不久前发表于《能源与环境科学》杂志网络版的一篇论文中称，通过将钙钛矿电池和浓缩为CIGS的铜基电池或者更加标准的硅电池结合在一起，他们创造出了整体转换效率高达18.6%的设备。这击败了转换效率为17%的普通CIGS电池和测试中使用的转化率为11.7%的钙钛矿电池。另一方面光伏发电与建筑相结合，是目前世界上大规模利用光伏技术发电的研究开发热点，在美国、日本和欧盟各国都在作为重点项目积极地进行，除在屋顶安装光伏电池外，并已推出把光伏电池装在瓦片内的产品和光伏幕墙等。

中国于1958年开始研制太阳能电池，1959年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。中国于1971年3月首次应用太阳能电池作为科学实验卫星的电源，开始了太阳能电池的空间应用。中国于1973

年首次在灯浮标上进行应用太阳能电池供电的实验，开始了太阳

能电池的地面应用。经过几十年的努力，中国的光伏发电技术已经具有一定的水平和基础。中国光伏发电技术的研究开发工作取得不少的成就。有关研究单位、高校、企业先后开展了单晶硅和多晶硅高效电池、非晶硅薄膜电池、CdTe薄膜电池、CIS薄膜电池、多晶硅薄膜电池及应用系统关键技术的研究。近期光伏发电市场应用的重点项目主要有:家用光伏电源，微波通信中继站光伏电源，光缆通信站光伏电源，输油输气管道阴极保护光伏电源，铁路信号及通信光伏电源，航标灯光伏电源，乡镇及村落光伏电源，边防哨所光伏电源，气象台站光伏电源，各种照明装置、标志和广告箱牌光伏电源，以及城市与建筑结合的小型屋顶联网光伏系统等。

第二章 太阳能电池的基本特性测量

2.1太阳能电池测量原理

太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变为电能。这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转化器，就叫做太阳能电池。太阳能电池工作原理的基础，是半导体P-N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单的说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生改变而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在古亭尤其是半导体中，光能转换成电能的效率特别高。因此，半导体中的光电效应引起人们的格外关注。

当光照射在距太阳电池表面很近的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2-1）。那些在 pn结附近n区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场。只有p区的光生电子和n区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n区，光生空穴被拉向p区，即电子空穴对被内建电场分离。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。它们产生一个与热平衡pn结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p区指向n区。这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect）。

图2-1 太阳能电池的工作原理

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Isc。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：

I=IS(Φ)-ID(U) （2-1）

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ID。

由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2-2）。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ID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ID（U）迅速增加。

图2-2 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，可以得到短路电流等与光生电流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最大负载电阻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。

Ri= V0c/ISc (2-2)

这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小（见图2-2），它们之比为

F=Pmax/Voc×Isc (2-3)

F称为填充因数。

我们经常用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会导致更大的开路电压U0c，而并联会导致更大的短路电流ISc。在本实验中，把太阳能电池串联，分别记录在不同的光照度时电流和电压特性。光照度通过改变光源的距离来实现。

此外，太阳能电池的输出功率

P=U·I (2-4)

半导体太阳能电池的工作原理可以概括成下面几个主要过程。第一，必须有光的照射，可以使单色光、太阳光或模拟太阳光源等。第二，光子注入到半导体内后，激发出电子-空穴对。这些电子和空穴应有足够长的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。第三，必须有一个静电场。在静电场的作用下，电子-空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边。绝大部分太阳能电池利用P-N结势垒区的静电场实现分离电子-空穴对的目的。第四，被分离的电子和空穴，经由电极收集输出到电池体外，形成电流。

2.2实验前的测量准备

晶体硅太阳能电池一块、导线若干、220V的可供电压源、万用表2个、遮光罩1个、光照度计1个、实验台、电阻箱1个和滑动电阻箱1个、光具座、钠灯和汞灯各一个。仪器调整：将太阳能电池板和光源的高度保持一致，就是中心的高度一致，让受光均匀；打开可供电压源，让汞灯或者是钠灯先预热5分钟；分别对万用表和电阻箱进行检测，看看是否正常；遮蔽其他干扰光源，确保是在暗室中操作。

2.3太阳能电池在不同特性的参数测量

如果在太阳能电池两端接上一个负载电阻R，那么太阳能电池在工作状态下的等效电路如图2-3所示。它相当于一个电流为Iph的恒流源与一只正向二极管并联，流过二极管的电流在太阳能电池中称为暗电流ID,流过负载的电流为I0。这是理想太阳能电池的等效电路。

电池的理想伏安特性为

I=Iph-ID=IPH-I0（eqv/kt-1） （2-5）

其中，I0是二极管饱和电流。

图2-3太阳能电池等效电路

电池理想伏安曲线如图2-4（a）所示，途中还画出暗特性曲线，即无光照（Iph=0）时的I-V曲线。太阳能电池的负载特性曲线如图2-4（b）所示，曲线上的点称为工作点，随负载变化而变化。如果太阳能电池电路短路，即V=0，此时的电流为短路电流，用Isc表示；如果电路开路，即I=0，此时的电压为开路电压，用Voc表示。（负载电阻为零时测的最大电流Isc称为短路电流；负载断开时测的最大电压Voc称为开路电压）

图2-4 太阳能电池伏安特性曲线

太阳能电池的输出功率为输出电压的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。输出电压与输出电流的最大乘积称为最大输出功率Pmax。

填充因子F.F定义为：

F.F=Pmax/Voc×Isc （2-6）

填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性趁于矩形，太阳能电池性能越好。

由（2-6）可以知道Pmax可以表示为：

Pmax=Voc×Isc×FF （2-7）

因此，在一定的光照下，为了有尽量大的功率输出，就要获得尽量大的开路电压Voc、短路电流Isc和填充因子FF。

2.3.1太阳能电池离光源不同距离特性测量

按照图2-3等效电路接通电路。打开可供电压电源，先测量一下不同位置在钠灯照射下的光照度，再记录一下光生电流I和光电电压V；反之，汞灯亦然。记入表1中。

表1 不同光源随距离的变化：

光生电压V都呈下降的趋势，到底是由于距离的增加所导致，还是随距离增加所导致光照度的变化而变化？根据光照度是由于距离的增加而减少，我可以大胆的推测，是由于光照度的减少而导致光生电压和光生电流的减少。如此一来，我们有个大胆的推测，比较一下在相同的光照度下，不同波长的光源对光生电流和光生电压的影响，相互印证。 2.3.2 太阳能电池在汞灯照射下的特性测量

接入可调负载，测出在汞灯照射下的光生电流I和光生电压V，记入表2中，并画出图表，分析它们的伏安特性。

表2：太阳能电池在汞灯照射下的特性参数记录

根据上面表2，我们可以做出下列图示：

图A为第一组数据；图B为第二组数据；图C为第三组数据。

图A

图B

图C

在表2的实验数据中，我们可以计算一下填充因子FF的具体数值。 由表2中的数据。我们可以知道

Pmax=Im×Um （2-8）

在表2中的汞灯第一组数据，我们知道

Im=2.34，Um=0.071；

所以

Pmax=2.34×0.071=0.16614

我们知道

Isc=0.109,V0C=3.24

所以

F.F=Pmax/Voc×Isc

=0.16614÷（0.109×3.24）

=0.47043

同样的求证方式，我们可以测出汞灯的第二组和第三组数据的FF值。 汞灯的第二组数据中：

所以由式（2-8）

又知道

所以

在汞灯的第三组数据中：则由式（2-8）

我们知道

所以

Im=1.93,Um=0.046;

Pmax=1.93×0.046=0.08878

Isc=0.067，Voc=2.6

F.F=Pmax/Voc×Isc

=0.08878÷﹙0.067×2.6﹚ ＝0.61346

Im=1.35，Um=0.024，

Pmax=1.35×0.024=0.0324

Isc=0.036,Voc=1.76

F.F=Pmax/Voc×Isc

=0.0324÷﹙0.036×1.76﹚ =0.51136

我们可以把汞灯中的三组数据中的FF值加起来，求一个平均值FF 平均值

FF=﹙0.47043﹢0.61346﹢0.51136﹚÷3 ＝0.53175

由上面的数值计算，我们可以看出这个晶体硅的太阳能电池的填充因子是0.53175。 通过表2实验数据和图A/B/C三组折线图，我们不仅可以看出三组数据中同一波长下，不同光照度下相同负载的数据走向；也可以比较恒定光照度下不同负载所显表示的数据走向。三组图中，它们的伏安曲线走向是基本相同的，通过直观图我们可以对比知道。另外，我们测量的光生电压和光生电流其实就是负载的电压和电流，此时的太阳能电池就是一个恒压源。三组数据中的曲线都是先急剧增长到后期都趋于平和增长。这些都是受到太阳能电池板本身因素限制的。

2.3.3 太阳能电池在钠灯照射下的特性测量

表3 ：太阳能电池在钠灯照射下的数据记录

第二组数据；图2-3-2是第三组数据。

太阳能电池的基本特性测量

根据表3的数据，我们可以画出下列三组图形：图2-3-1是第一组数据；图2-3-2是

图2-3-2

图2-3-1

太阳能电池的基本特性测量

图2-3-3

跟汞灯的求证方式一样，在表3中，钠灯的第一组数据中:

Im=3.33，Um=0.18

而由式（2-8）

Pmax=Im×Um

=3.33×0.18＝0.5994

又因为

Isc=0.23，Voc=4.93

所以

F.F=Pmax/Voc×Isc

=0.5994÷﹙0.23×4.93﹚

=0.52861

钠灯的第二组数据中：

Im=2.72，Um=0.102

那么由式（2-8） Pmax=Im×Um

=2.72×0.102 =0.27744

又知道

Isc=0.145,Voc=3.87

所以

F.F=Pmax/Voc×Isc

=0.27744÷﹙0.145×3.87﹚

=0.49441

就以上两组钠灯数据而言，平均值

FF=（0.52861+0.49441）÷2 =0.51151

就FF对比，汞灯的是0.53175；钠灯的是0.51151。说明太阳能电池板的填充因子数值变化不大，说明太阳能电池在整个实验的过程中是稳定的。 2.3.4 相同光照度下太阳能电池的I-U曲线

表3：在相同的光照度下，

负载10Ω汞灯和钠灯这两种不同波长下产生的光生电压和光生电流的实验数据。

根据上面的表3，我们可以画出下面的直观图：

图2-3-4相同光照度下汞灯U-I图

图2-3-5相同光照度下钠灯U-I图

我们可以发现汞灯和钠灯是两种不同的波长，我们可以对比下不同波长的变化规律，我们可以发现，同一光照度下，汞灯的光生电压和光生电流都要比钠灯的要高一些，说明此太阳能电池板对汞灯的这种波长的光电转换效率更高一些。由直观图表我们可以看出，随着光照度的增加，光生电压和光生电流的斜率增加的比较快，说明功率也增长的快，也就是说，越强的光照度对太阳能电池的转换效率越明显。

第三章 结论

在整个实验中，暗室是用汞灯和钠灯作为光源进行的，所以，它们所显示的是汞灯和钠灯作用下的电池板特性。在不同的负载下，太阳能电池板在汞灯和钠灯的照射下伏安特性走向是大概一致的，说明太阳能电池的伏安特性是稳定的，实验数据有效并能体现太阳能电池的伏安特性是呈不规则指数线性关系的，这是因为实验中采用的是串联电路，串联电阻影响太阳电池的正向伏安特性，使得负载增加时，正向偏压增大，伏安特性偏离指数光系。

在相同的光照度下，同一负载中，不同波长的汞灯和钠灯它们的光生电流和光生电压完全不同，说明，太阳能电池板的转换效率也是和波长有关。而且，随光照度越强，它们的线性关系越强，故所生光功率也就越强。在不同负载电阻条件下，由于电压表有分流作用，导致实验存在误差；还有，有些数据本身就比较小，数据估读时存在较大误差，在太阳能电池的实际器件中，填充因子受到表面效应、势垒区载流子的产生及复合、电阻效应等因素的影响，一样引起较大的实验误差。

参考文献

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致谢

历时一个多月终于把这篇论文写完，在写在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—罗劲明老师，他对我进行了无私的指导和帮助，在尊重和保留我原来思想和逻辑的前提下，帮我很好地梳理了论文的重点走向，也根据论文的格式，语言风格，和实际意义给了我很大的指引和帮助，积极地完善我的论文。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最衷心的感谢！

论文完成之际，我的心情无法平静，感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。还要感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予了我好多的论文素材，并还在论文的写作和排版过程中提供热情的帮助。

随着这篇毕业论文的最后落笔，我四年的大学生活也即将划上一个圆满的句号。回忆这四年生活的点点滴滴，从入学时对大学生活的无限憧憬到课堂上对各位老师学术学识的折服，从奔波于教室图书馆的来去匆匆到业余生活的五彩缤纷，一切中的一切都是历历在目，让人倍感留恋，倍感珍惜，最后感谢自己，从未退缩。