太阳能电池特性研究实验论文 - 图文

本科生实验论文

太阳能电池特性研究

论文作者：专 业：年 级：学 号：指导老师：完成日期：

郭海生 物理学 大二 1408405070 吴茂成

2015年12月15日

摘要：本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池的暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性作了初步的分析和研究.

关键词：太阳能电池特性、单晶、多晶、非晶、暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性、填充因子、转换效率 引言：

太阳能是人类最早认识并加以利 用的能源之一。20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。太阳能资源具有数量巨大、时间长久、普照大地、清洁安全 的优点，具有很大的开发潜能。同时太阳能有分散性、间断性和不稳定性、效率低和成本高的缺点，制约着太阳能的普及使用，这需要科研设计来克服。通过研究三种太阳能电池的光电特性，了解各自的优缺点，为太阳能电池发展搞清方向。

正文

1.太阳能电池的分类

太阳能电池是一种能进行能量转化的光电元件，也称光伏电池或光电池。美国的Bell实验室于1954年研制成功第一块太阳能电池，但是效率太低，造价又过于昂贵，因此没有多少商业价值。后来由于航天科技的逐步发展，太阳能电池所起的作用变得越来越重要，在太空飞行器中太阳能电池成为必不可少的重要元件，这也促进了太阳能电池的开发研究。由于许多新技术的采用，太阳能电池的效率有了很大提高，新南威尔士大学的科研人员MartinA.Green领导的研究小组，已经使单晶硅太阳电池转换效率高达24.7％。太阳能电池依据不同的标准，可以有不同的分类方法，根据太阳能电池技术的成熟程度来划分，可以分成以下几个阶段：第1代太阳能电池，主要是晶体硅太阳能电池；第2代太阳能电池，主要是各种薄膜太阳能电池；第3代太阳能电池，主要是各种新概念太阳能电池。根据太阳能电池使用的基本材料来划分，可以分为硅太阳能电池、化合物太阳能电池、有机薄膜太阳能电池和燃料敏化太阳能电池等几种。根据太阳能电池的结构来划分，可以将太阳能电池分为晶体硅太阳能电池和薄膜太阳能电池两大类。

本文对硅太阳能电池中的单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池的暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化、输出特性作了初步的分析和研究.

2.发展太阳能意义

随着技术的改善、产品生产规模的扩大和成本的降低，对太阳能的兴趣将进一步增加。太阳能经济的目标就是实现与电网的同价，即未经补贴的太阳能成本等同或低于传统电网的成本。管理咨询公司麦肯锡公司的一项分析预测说，\到2020年，至少有10个光照强烈的地区将实现电网同价\。但是这些地区几乎可以肯定是在意大利、日本、西班牙和美国等发达国家的内部。对于发展中国家，即便实现了电网同价，仍然需要离网的解决方案，从而为偏远社区提供能源。尽管和大规模电网连接的太阳能系统的成本将随着太阳能板价格的下降而下降，更小的离网系统不太可能出现类似的成本降低，这部分是由于电池的价格仍然很

高。电池可能占一个离网太阳能系统成本的至多40%。而且替换电池还有额外的费用，因为电池的寿命不太可能和太阳能板一样长。电器的效率也对离网太阳能系统的供电成本有巨大的影响。例如，一位有把PV系统引入发展中国家的经验的德国工程师估计，如果一个村庄能分别安装节能灯和新型的冰箱和电脑，那么向村庄供应离网太阳能电力的成本可能从3.5万美元降低到仅8300美元

3.太阳能电池的工作原理

太阳能电池的制作材料多种多样，有硅.硒.砷化镓.硫化镉等，但目前在全球占据主导地位的主要是硅材料太阳能电池，因此本文中主要以硅材料太阳能电池为代表来讨论太阳能电池的工作原理。 晶体硅太阳能电池的结构如图2-1所示，晶体硅太阳能电池是用硅材料制成大面积pn结进行工作的，一般是以P型硅半导体材料作为基质材料，在P型硅表面扩散出一层很薄的经过重掺杂的n型层，然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极，在整个背面制作作为背面接触电极的金属膜。太阳能电池的表面一般会做绒面处理或覆盖减反射膜以减少光的反射损失。当太阳能电池表面的pn结受到太阳光的照射时，如果入射光子的能量高于硅材料的禁带宽度，则在n区、P区和结区中会因光子被吸收而产生电子空穴对，在结附近的n区中产生的少数载流子会因为存在浓度梯度而扩散。如果少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，就会有扩散到结界面处的几率。在结区即P区与n区交界面的两侧存在一个被称为耗尽层的空间电荷区。在耗尽层内的正负电荷间会形成一个方向由n区指向P区的内建电场。 扩散到结界面处的少数载流子空穴会被内建电场拉向P区，而扩散到结界面处的少数载流子电子会被内建电场拉向n区，结区内产生的电子一空穴对会被内建电场分别拉向n区和P区。在外电路处于开路状态的情况下，这些光生电子和空穴会积累在pn结附近，结果使P区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，在pn结上就会产生光生电动势。这一现象称为光生伏打效应，也称光伏效应，太阳能电池就是根据光伏效应工作的。 太阳能电池将太阳光能转换为电能是依赖自然光中的的量子--光子．而每个光子所携带的能量为Eph: hcEph(λ)= λ式中：h表示普朗克常数（6.626*10^-34J.S）,c表示光速（3*10^8m/s）, λ表示光子波长。 在不同的光谱中光子所携带的能量不―样，当光子所携带的能量若大于能隙，便可以由转换为电能，若光子所携带得能量小于能隙时，光子没有足够的能量来形成电子空穴对，不会产生任何的电流，因此并非所有光子都能顺利地由太阳能电池将光能转换为电能。电池的能隙由电池材料决定（对于晶体硅，约为1.1ev），一般太阳能电池的转换效率在20％左右。 4.实验过程

1．硅太阳能电池的暗伏安特性测量

暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。

用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图6所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调

至50Ω后串连进电路起保护作用，用电压表测量太

图6 伏安特性测量接线原理图 阳能电池两端电压，电流表测量

回路中的电流。将电压源调到0V，然后逐渐增大输

出电压，每间隔0.1V记一次电流值。记录到表1中。 将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。

表1 三种太阳能电池的暗伏安特性测量 电压(V) 电流(mA) 单晶硅 多晶硅 非晶硅 -7.5 -1.7 -1 -0.082 -7 -1.5 -0.9 -0.076 -6 -1.3 -0.6 -0.066 -5 -1 -0.4 -0.055 -4 -0.8 -0.2 -0.044 -3 -0.6 -0.142 -0.033 -2 -0.4 -0.075 -0.022 -1 -0.2 -0.033 -0.011 0 0 0 0 0.3 0 0.011 0.003 0.6 0.1 0.029 0.006 0.9 0.2 0.067 0.009 1.2 0.3 0.1 0.013 1.5 0.5 0.3 0.016 1.8 0.8 0.8 0.02 2.1 1.7 2.1 0.025 2.4 4.5 6.5 0.035 2.6 10.8 15.9 0.048 2.8 29.8 41.4 0.069 2.9 50.9 67.3 0.087 3 87.5 107.8 0.11