太阳能光伏电池实验（探究型）系统实验指导及操作说明书.doc

ZKY-SAC-Ⅲ+G 太阳能光伏电池实验(探究型) 系统 实验指导及操作说明书 四 川 世 纪 中 科 光 电 技 术 有 限 公 司 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 网址：WWW.ZKY.Cn 61430729 邮编：610100 传真：（028）64082508 E-mail：ZKY@ZKY.Cn 2015-11-30 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 0 页 共 13 页 太阳能光伏电池实验(探究型)系统 太阳能这个词早就脱离了学术交流领域而为普通大众所知。太阳能一般指太阳光的辐射能量。 我们知道在太阳内部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应，反应过程中伴随着巨大的能量释 放到宇宙空间。太阳释放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的范畴。科学研究已经表明太阳热核 反应可以持续百亿年左右，能量辐射功率 3.8×1023kW。根据地球体表面积、与太阳的距离等数据可 以计算出辐照到地球的太阳能大致为全部太阳能量辐射量的 20 亿分之一左右。考虑到地球大气层对 太阳辐射的反射和吸收等因素，实际到达地球表面的太阳辐照功率为 800000 亿千瓦，也就是说太阳 每秒钟照射到地球上的能量相当于燃烧 500 万吨煤释放的热量。 随着社会经济的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求，随着社会 经济发展而急剧膨胀，专家估计目前每年能源消耗总量为 200 亿吨标准煤，并且这其中的 90%左右 是依靠不可再生的化石能源来维持的。就目前这种状况，全球化石能源贮备只能维持 100 年左右。 太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。 人类对太阳能的利用不是最近几十年的事情，而是具有悠久的历史。我国战国时期、古埃及等 国家都有关于太阳能利用的记载。这类应用虽然属于太阳能利用范畴，但方式、手段和目的都非常 的原始。近代太阳能利用的标志是 1615 年法国工程师制造出第一台太阳能驱动的发动机。但高昂的 造价和极低的效率注定这种发动机没有实用价值，只能是模型爱好者的宠儿。人类对硅材料的认识、 固体理论、半导体理论的发展和成熟是太阳能利用的关键推动力，具有里程碑意义的事件是 1945 年 美国 Bell 实验室研制出实用型硅太阳能电池。近年来，太阳能成为研究、技术、应用、贸易的热点。 太阳能潜在的市场为全球所关注，除了人类能源需求量的增大、化石能源储量的下降和价格的提升、 理论和工艺技术水平的提高等因素外，环保意识、可持续发展意识的提升也是全球关注太阳能的一 个重要因素。 太阳能给人无限的遐想，但需要对太阳能有一个全面客观的认识。任何的事物总是具有两面性 的。就太阳能而言，其优势在于“普遍”，地球的任何角落都存在；“巨大”，太阳能是地球可供开 采的最大能源；“无害”，不污染环境；“持续”，可稳定供应时间超过 100 亿年。太阳能的缺点在 于它的分散性、不稳定性、高成本。分散性和不稳定性是地球地理特征决定的。高成本是工艺技术 水平的不足导致的。太阳能是非常活跃的研究和应用领域，前景广阔，回报丰厚。这个领域也充满 问题和挑战，对相关人才的需求量巨大。 太阳能电池是目前太阳能利用中的关键环节，核心概念是 pn 结和光生伏特效应。理解太阳能电 池的工作原理、基本特性表征参数和测试方法是必要和重要的。 实验目的 1. 2. 3. 4. 5. 了解 pn 结的基本结构与工作原理。 了解太阳能电池组件的基本结构，理解其工作原理。 掌握 pn 结的 I-V 特性（整流特性）及其对温度的依赖关系。 掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法，理解光强、温度和光源光谱分布等因 素对太阳能电池输出特性的影响。 通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分 析实验数据与理论结果间存在差异的原因。 实验原理 1. pn 结与光生伏特效应 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 1 页 共 13 页 半导体是一类特殊的材料。从宏观电学性质上说，它们的导电能力介于导体和绝缘体之间，随 外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。从材料能带结构说，这类材料导带 Ec 和价带 Ev 之 间的禁带宽度 Eg 小于 3eV。温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，在导带和价带中形成电 子-空穴对，从而改变材料的电学性质。半导体材料具有负的电阻温度系数，即随温度的升高，其电 阻减小。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作 出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是 pn 结，简单地说，pn 结就是 p 型半导体和 n 型半导体接触形成的基础区域。太阳能电池，本质上就是 结面积比较大的 pn 结。 图 1 pn 结的形成 上图为刚接触时，下图为达到平衡情况 根据半导体基本理论，处于热平衡态的 pn 结由 p 区、n 区和两者交界区域构成，如图 1 所示。 刚接触时，电子由费米能级 EF 高的地方向费米能级低的地方流动，空穴则相反。为了维持统一的费 米能级，n 区内电子向 p 区扩散，p 区内空穴向 n 区扩散。载流子的定向运动导致原来的电中性条件 被破坏，p 区积累带负电且不可移动的电离受主，n 区积累带正电且不可移动的电离施主。载流子扩 散运动导致在界面附近区域形成由 n 区指向 p 区的内建电场 Ei 和相应的空间电荷区。显然，两者费 米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。而 内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。当 两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，p 区和 n 区两端产生一个高度为 qVD 的 势垒（如图 2（a）） 。理想 pn 结模型下，处于热平衡的 pn 结空间电荷区没有载流子，也没有载流子 的产生与复合作用。 当有入射光垂直入射到 pn 结，只要 pn 结结深比较浅，入射光子会透过 pn 结区域甚至能深入半 导体内部。如果入射光子能量满足关系 hν≥Eg（Eg 为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被 材料吸收，在 pn 结中产生电子-空穴对。光照条件下材料体内产生电子-空穴对是典型的非平衡载流 子光注入作用。光生载流子对 p 区空穴和 n 区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽 略不计。但是对少数载流子将产生显著影响，如 p 区电子和 n 区空穴。在均匀半导体中光照射下也 会产生电子-空穴对，但它们很快又会通过各种复合机制复合。在 pn 结中情况有所不同，主要原因 是存在内建电场。在内建电场的驱动下 p 区光生少子电子向 n 区运动，n 区光生少子空穴向 p 区运 动。这种作用有两方面的体现：第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 2 页 共 13 页 电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由 n 区指向 p 区，与内建电场方向一致；第二，光 生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，pn 结势垒高度降低，甚至会完全 消失，势垒高度降低（如图 2（b））。宏观的效果是在 pn 结光照面和暗面之间产生电动势，也就是 光生电动势，这个效应称为光生伏特效应。如果构成回路就会产生电流，这种电流叫做光生电流 IL。 图 2 (a)热平衡时的 pn 结 (b)光照下的 pn 结 从结构上说，常见的太阳能电池是一种浅结深、大面积的 pn 结（如图 3）。太阳能电池之所以 能够完成光电转换过程，核心物理效应是光生伏特效应。光照会使得 pn 结势垒高度降低甚至消失， 这个作用完全等价于在 pn 结两端施加正向电压。这种情况下的 pn 结就是一个光电池。将多个太阳 能电池通过一定的方式进行串并联，并封装好就形成了能防风雨的太阳能电池组件（如图 4） 。 图 3 图 4 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 太阳能电池结构示意图 太阳能电池组件结构示意图 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 第 3 页 共 13 页 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 2. PIN 结 若在 PN 结的 P 区和 N 区之间再加一层杂质浓度很低可近似看作是本征半导体（用 I 表示）的 半导体，这样便形成了 P-I-N 结构，简称 PIN 结。PIN 结除具有较宽的空间电荷区外，还具有很大 的结电阻和很小的结电容，这些特点使得 PIN 结在光电转换效率和高频响应特性等方面与普通的 PN 结相比均得到了很大的改善。 3. 太阳能电池无光照时的电流电压关系——暗特性 通常把无光照或光照为零的情况下太阳能电池的电流－电压特性叫做暗特性。近似地，可以把 无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想 pn 结。其电流电压关系为肖克莱方程： é æqV ö ù ÷- 1ú èk0T ø û I =I s êexpç ë （1） Dnnp0 D p pn0     L Lp   n  其中 q 为电子电荷的绝对值，k0 为玻尔兹曼常数，T 为绝对温度， I s  J s A  Aq 为反向饱和电流，又称暗电流，暗电流是区分二极管的一个极其重要的参量。其中，Js 为反向饱和 电流密度，根据掺杂程度的不同，反向饱和电流密度 Js 的量级一般为 10-12，即一般情况下暗电流非 常小。A 为结面积，Dn、Dp 分别为电子和空穴的扩散系数，np0 为 p 区平衡少数载流子——电子的 浓度、pn0 为 n 区平衡少数载流子——空穴的浓度，Ln、Lp 分别为电子和空穴的扩散长度。 当 T=300K 时， k0T =0.0259eV 。对正向偏置条件，硅材料 pn 结的正向偏压 V 约为零点几伏， æqV ö ÷>>1，所以正向 I-V 关系可表示为： èk0T ø æqV ö I =I s expç ÷ èk0T ø æqV ö 对于反向偏置， expç ÷＜＜1，即理想 pn 结的电压指数项可以忽略不计，即 k T è 0 ø I ® - Is 故 expç 图 5 （2） （3） pn 结的暗特性曲线 根据肖克莱方程，如图 5 所示，在反向电压不超过击穿电压 VB 的情况下，电流接近于暗电流 IS，此时的电流非常小且几乎为零；在正向电压下，电流随电压指数增长，因此太阳能电池的 I-V 特 性曲线不对称，这就是 pn 结的单向导电特性或整流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂类型、浓 度和器件结构都是确定的，对伏安特性具有影响力的因素是温度。温度对半导体器件的影响是这类 器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数 D、扩散长度 L、载流子浓度 n 都有影响，综 合考虑，以 P 型半导体为例，反向饱和电流密度为： 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 4 页 共 13 页 1/2 g 3+ æD ö n2 æ E ö J s » qç n ÷ i µ T 2 expç- g ÷ è t n ø NA è k0T ø （4） 式中 τn 为电子寿命，ni 是本征半导体浓度，NA 是掺入的受主浓度，γ 为一常数。由此可见随着温度 æ Eg ö ÷迅速增大，且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。 è k0T ø 0 为绝对零度时的禁带宽 半导体材料禁带宽度是温度的函数，有 Eg =Eg (0) - bT ，其中 E g  升高，反向饱和电流随着指数因子 ç- 度。设有 Eg (0) =qVg0 ，Vg0 是绝对零度时导带底到价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数 的正向 I-V 关系为： I =AJ µ T g 3+ 2 éq(V - Vg0 )ù expê ú k T ê ú 0 ë û （5） 显然，正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。 4. 太阳能电池光照时的电流电压关系——光照特性 太阳能电池的光照特性是指太阳能电池在光照的条件下输出伏安特性。硅太阳能电池的性能参 数主要有：开路电压 Uoc、短路电流 Isc、最大输出功率 Pm、转换效率 η 和填充因子 FF。 光生少子在内建电场驱动下的定向运动在 pn 结内部产生了 n 区指向 p 区的光生电流 IL，光生电 动势等价于加载在 pn 结上的正向电压 V，它使得 pn 结势垒高度降至 qVD-qV。理想情况下，太阳能 电池负载等效电路如图 6，把光照的 pn 结看作一个理想二极管和恒流源并联，恒流源的电流即为光 生电流 IL，IF 为通过硅二极管的结电流，RL 为外加负载。该等效电路的物理意义是：太阳能电池光 照后产生一定的光电流 IL，其中一部分用来抵消结电流 IF，另一部分为负载的电流 I。由等效电路图 可知： é æqV ö ù ÷- 1ú èk0T ø û I I =I L - I F =I L - I s êexpç ë （6） RL IL 图 6 IF 理想情况下太阳能电池负载等效电路图 随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流， 因此太阳能电池的电流总是反向的。 根据图 6 的等效电路图，有两种极端情况是在太阳能电池光照特性分析中必须考虑的。其一是 负载电阻 RL＝0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，pn 结处于短路状态，此时光电池输 出电流我们称为短路电流 Isc： I sc  I L （7） 即短路电流等于光生电流，它与入射光的光强 Ee 及器件的有效面积 A 成正比。其二是负载电阻 RL   ，外电路处于开路状态。流过负载的电流为零 I=0，根据等效电路图，光电流正好被正向 结电流抵消，光电池两端电压 Uoc 就是所谓的开路电压。显然有 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 é æqU oc ö ù ÷- 1ú=0 k T è 0 ø û I =I L - I s êexpç ë 第 5 页 共 13 页 （8） 由（8）得到开路电压 Uoc 为： ö k T æI U oc = 0 lnç L +1÷ q èI s ø （9） 可以看出，开路电压 Uoc 与入射光的光强的对数成正比，与器件的面积无关，与电池片串联的级数 有关。 开路电压 Uoc 和短路电流 Isc 是光电池的两个重要参数，实验中这两个参数分别为稳定光照下太 阳能电池 I-V 特性曲线与电压、电流轴的截距。不难理解，在温度一定的情况下，随着光照强度 Ee 增大，太阳能电池的短路电流 Isc 和开路电压 Uoc 都会增大，但是随光强变化的规律不同：短路电流 Isc 正比于入射光强度 Ee，开路电压 Uoc 随着入射光强度 Ee 对数增加。此外，从太阳能电池的工作原理 考虑，开路电压 Uoc 不会随着入射光强度增大而无限增大，它的最大值是使得 pn 结势垒高度为零时 的电压值。换句话说，太阳能电池的最大光生电压为 pn 结的势垒对应的电势差 VD，是一个与材料 带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下，最大开路电压值 Uoc 与 Eg/q 相当。 太阳能电池从本质上说是一个能量转换器件，它把光能转换为电能。因此讨论太阳能电池的效 率是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转换过程都存在效率问题，实际发生的 能量转换效率不可能是 100％。就太阳能电池而言，我们需要知道的是，转换效率与哪些因素有关 以及如何提高太阳能电池的转换效率。太阳能电池的转换效率η定义为最大输出功率 Pm 和入射光的 总功率 Pin 的比值： p I V h = m ´ 100% = m m ´ 100% pin Ee ×A （10） 其中，Im、Vm 为最大功率点对应的最大工作电流、最大工作电压，Ee 为由光探头测得的光照强度 （单位：W/m2），A 为太阳能电池片的有效受光面积。 I Isc Im Pm 最大功率矩形 V V m V oc 图 7 太阳能电池输出伏安曲线 图 7 为太阳能电池的输出伏安特性曲线，其中 Im、Vm 在 I-V 关系中构成一个矩形，叫做最大功 率矩形。如图 7，太阳能电池输出 I-V 特性曲线与电流、电压轴交点分别是短路电流和开路电压。 最大功率矩形取值点 Pm 的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是 I-V 曲线上横纵坐标乘 积的最大值点。短路电流和开路电压也形成一个矩形，面积为 IscVoc。定义： FF  I mVm I scVoc （11） FF 为填充因子，图形中它是两个矩形面积的比值。填充因子反映了太阳能电池可实现功率的度量， 通常的填充因子在 0.5～0.8 之间，也可以用百分数表示。 太阳能电池的转换效率是它的最重要的参数。太阳能电池效率损失的原因主要有：电池表面的 反射、电子和空穴在光敏感层之外由于重组而造成的损失，以及光敏层的厚度不够等因素。综合来 看，单晶硅太阳能电池的最大量子效率的理论值大约是 40%。实际上，大规模生产的太阳能电池的 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 6 页 共 13 页 效率还达不到理论极限的一半，只有百分之十几。 5. 太阳能电池温度特性 太阳能电池温度特性是指电池片的开路电压 Uoc、短路电流 Isc 及最大输出功率 Pm 与温度 T 之间 的关系，温度特性是太阳能电池的一个重要特征。对于大多数太阳能电池，在入射光强不变的情况 下，随着温度 T 上升，短路电流 Isc 略有上升，开路电压 Uoc 明显线性减小，由于开路电压的减小幅 度大于短路电流的增加幅度导致转换效率降低。温度对电流的影响主要作用于电子跃迁，一方面温 度的升高减小了禁带宽度 Eg，使得更多光子激发电子跃迁。另一方面，温度的上升提供了更多的声 子能量，在声子的参与下，增加对光子的二次吸收。温度的上升对增加光生电流具有积极的作用， 但是对开路电压又起着消极作用。 不同厂家生产的电池片的温度系数（温度升高 1℃对应参数的变化情况，单位为：%/℃）不同。 图 8 为某非晶硅太阳能电池片输出伏安特性随温度变化的一个例子，可以看出，随着温度升高，开 路电压变小，短路电流略微增大，导致转换效率变低。 图 8 不同温度时非晶硅太阳能电池片的伏安特性 表 1 给出了太阳能标准光强（1000W/m2）下实验测得的单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池输 出特性的温度系数。单晶硅与多晶硅转换效率的温度系数几乎相同，而非晶硅因为它的禁带宽度大 而导致它的温度系数较低。 表 1 太阳能电池输出特性温度系数的实例 温度升高 1℃各参数的变化情况（%/℃） 种类 开路电压 Voc 短路电流 Isc 填充因子 FF 转换效率 η 单晶硅太阳能电池 -0.32 0.09 -0.10 -0.33 多晶硅太阳能电池 -0.30 0.07 -0.10 -0.33 非晶硅太阳能电池 -0.36 0.10 0.03 -0.23 在太阳能电池板实际应用时必须考虑它的输出特性受温度的影响，特别是室外的太阳能电池， 由于阳光的作用，太阳能电池在使用过程中温度变化可能比较大，因此温度系数是室外使用太阳能 电池板时需要考虑的一个重要参数。 6. 太阳能电池光谱响应 太阳能电池的光谱响应描述了太阳能电池对不同波长的入射光的敏感程度，又称为光谱灵敏度， 可分为绝对光谱响应和相对光谱响应。只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光 生电子一空穴对，而光子的能量的大小与光的波长有关。 一般来说， 太阳能电池的光生电流IL 正比于光源的辐射功率Φ(λ)。 太阳能电池的绝对光谱响应R(λ) 定义为： 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 R  第 7 页 共 13 页 I      （12） 式中I(λ)、Φ(λ)分别是当入射光波长为λ时太阳能电池输出的短路电流和入射到太阳能电池上的辐射 功率。 如果光探测器（经过标定）在某一特定波长λ处的光谱响应是 R  、短路电流为 I  ，那么 ' ' 在辐射功率Φ(λ)相同）测量太阳能电池输出电流I(λ)，则： I '   I      '  R   R  太阳能电池的绝对光谱响应可以表达为： R  （13） I   ' R   I '   （14） 其中 R  为标准光强探测器的相对光谱响应（见下表 2）， I  为光强探测器在给定的辐照度下 ' ' 的短路电流，I(λ)为待测太阳电池片在相同辐照度下的短路电流。而相对光谱响应等于绝对光谱响应 除以绝对光谱响应的最大值。 表 2 光强探测器对应波长的相对光谱响应值 波长 395nm 490nm 570nm 665nm 760nm 865nm 950nm 1035nm 相对光谱响应值 0.044 0.222 0.419 0.613 0.795 0.962 0.982 0.563 通过上述比对法就可以进行太阳能电池绝对光谱响应的测试。在得到绝对光谱响应曲线后，将 曲线上的点都除以该曲线的最大值，就得到对应的相对光谱响应曲线。 光谱响应特性与太阳能电池的应用：从太阳能电池应用的角度来说，太阳能电池的光谱响应特 性与光源的辐射光谱特性相匹配是非常重要的，这样可以更充分地利用光能和提高太阳能电池的光 电转换效率。例如，有的电池在太阳光照射下转换效率较高，但在荧光灯这样的室内光源下就无法 得到有效的光电转换。不同的太阳能电池与不同的光源的匹配程度是不一样的。而光强和光谱的不 同，会引起太阳能电池输出的变动。 实验设备 本仪器定位于探究型实验系统，除可以测量配套的样件以外，实验者还可以利用本系统测量自 制的电池片组件。系统主要包括氙灯电源、光源、测试主机、配套软件、USB 集成器及通信线、电 池片试件和滤光片组。本仪器可以进行不同太阳能电池片的整流特性实验，测量不同温度下电池片 的整流特性、不同电池片的导通电压；可以测试不同温度、不同光照强度以及不同太阳能电池的输 出特性曲线，得到电池片的重要参数(开路电压、短路电流及最大输出功率)随温度、光照强度的变化 关系，对比不同电池片的转换效率；还可以测量电池片的光谱曲线，找出不同电池片对哪些波长的 光更敏感。 仪器组成：测试主机、氙灯电源、氙灯光源、滤光片组和电池片组。实验操作和显示由计算机 软件完成。整机图片（图 9）和仪器构成示意图（图 10）如下： 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 图 9 图 10 第 8 页 共 13 页 整机图片 仪器构成示意图 1. 光路部分 本设备光路简洁，由氙灯光源、凸透镜、滤光片构成。 2. 测试主机 （1） 面板介绍：（见下图 11） 图 11 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 测试主机面板示意图 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 9 页 共 13 页 ①紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针旋转自动归位 ②关机按钮：正常关机按钮 ③开机按钮 ④PC 接口：与计算机通信的 USB 接口 ⑤光源通信接口：与氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息（暂未使用） ⑥故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常 ⑦工作状态指示灯：红色闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整 ⑧电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。 （2） 电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太阳能电池片所在的 控温室的温度控制，在一定范围内，可使控温室达到指定温度。测试电路用于测试太阳能 电池片各性能的数据，该电路将测得的数据传送给计算机，由计算机进行数据的处理和显 示。 （3） 控温室 给太阳能电池片提供一个-10℃~40℃的太阳能电池片的测试环境。温控间隔 5℃。 3. 氙灯电源与氙灯光源 （1） 氙灯电源：氙灯电源用于氙灯的点燃、轴流风冷以及光源腔体内除湿。面板介绍： （见下图 12） 图 12 氙灯电源面板示意图 ①紧急停机按钮：直接按下为关，顺时针旋转自动归位 ②关机按钮：正常关机按钮 ③开机按钮 ④光源通信接口：与测试主机通信，传送氙灯光源的状态信息（暂未使用） ⑤光强选择档位：从 1 档到 6 档，光强逐渐增大 ⑥故障指示灯：红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常 ⑦工作状态指示灯：红色闪烁表示正在准备启动，绿色表示正常工作。 ⑧电源指示灯：红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。 （2） 氙灯光源 采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源功率 750W，出 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 10 页 共 13 页 射光孔径为 50mm；氙灯启动过程中有 3 分钟的腔体除湿，防止因空气湿度过大氙灯不能 正常启动。启动过程中，光强档位必须放置在第 6 档才能启动，若光强档位选择不是第 6 档，会出现短促的报警声，此时只需把光强档位调整到第 6 档即可正常启动。实验时氙灯 点亮后约 30 分钟稳定后再使用。 4. 滤光片组 滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能电池的光谱响应特性。滤光片共 8 种，中心波长 分别为 395nm、490nm、570nm、665nm、760nm、865nm、950nm、1035nm。 5. 太阳能电池片组 太阳能电池片组件包括单晶硅、多晶硅和非晶硅，均采用普通商用硅太阳能电池片，且为 5 级串联。 （1） 单晶硅和多晶硅有效受光面积均为 30mm×30mm，为 pn 结构。 （2） 非晶硅有效受光面积约为 30mm×24mm（注意：软件帮助信息中提到非晶硅的有 效面积为 681mm2，实验过程中应该以操作说明书为准），为 PIN 结构。 （3） 在光照特性实验中，光强探测器用于测定入射光强度，已通过标准光功率计进行校 准；在光谱特性实验中，光强探测器的光谱曲线是已知的。光强探测器的表面积为 7.5 mm2。 6. 微机软件 见软件说明书。 实验内容与步骤（具体操作过程见软件说明书） 1. 太阳能电池的暗特性测量 暗伏安特性是指无光照时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。实验在避光条件下 进行，分别测量单晶硅、多晶硅和非晶硅三种电池片在同一温度下的 I-V 特性和不同温度下（35℃、 15℃和-5℃）单晶硅太阳能电池片的正、反向暗伏安特性。测量原理如图 13 所示。 实验步骤： ① 打开测试主机，镜筒加遮光罩，将单晶硅电池片放入插槽，调节控温箱温度，将温度控制 在 35℃，按图 13 左连接电路，在太阳能电池片两端加 0~4V 的电压，测量并记录太阳能 电池两端的电流。 备注：在不损害电池片的前提下，为最大限度地观察 I-V 特性曲线的趋势，由于电池片的灵敏 度不一致，可能导致在 3.80V 左右提示电流源保护，这是正常的，不影响数据的存储和输出。 ② 按图 13 右连接电路，在太阳能电池片两端加 0~4V 的电压，测量并记录流过太阳能电池的 反向电流。 A 避光 恒 温 箱 图 13 A 避光 恒 温 箱 左暗伏安特性正向测试原理图，右暗伏安特性反向测试原理图 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 11 页 共 13 页 将单晶硅电池片换成多晶硅和非晶硅电池片，重复以上步骤，记录它们在 35℃下的暗特性 实验数据。 将温度分别改为 15℃和-5℃，重复步骤①②。 根据得到的实验数据，绘制 35℃时各太阳能电池的暗特性曲线，观察三种不同电池片的暗伏安 特性曲线，有什么的异同，试分析原因；观察单晶硅电池片在三个不同温度下的暗特性曲线，试说 明 pn 结的 I-V 曲线随温度如何变化。 ③ 2. 太阳能电池的光照特性测试 太阳能电池的光照特性测试是指不同温度、不同光照强度下，单晶硅、多晶硅、非晶硅 3 种太 阳能电池片的输出 I-V 特性曲线，并由此计算得到开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子 和转换效率。光功率由光强探测器间接测得： Pin =Ee ´ A ，其中 Ee 为光强探测器测得的光强值，S 为太阳能电池有效光照面积。 打开氙灯光源，先预热 30 分钟，取掉遮光盖。 （1） 单晶硅太阳能电池温度特性实验 光强档位固定在 5 档（该档位接近标准光强：1000W/m2），测量不同温度下电池片(以单晶硅为 例)的输出 I-V 特性；研究开路电压、短路电流和最大输出功率随温度如何变化。 实验步骤： ① 将温度控制在 35℃，待温控箱的温度稳定 5 分钟左右后测量单晶硅电池片的输出 I-V 特性， 记录开路电压、短路电流和最大输出功率。 ② 将温度分别设置为 25℃、15℃、5℃和-5℃，重复以上实验步骤。 绘制单晶硅在不同温度下的 I-V 特性曲线，试说明随着温度的变化，其输出特性如何变化？为 什么？ 根据各温度 T 下得到的单晶硅电池片的开路电压 Uoc，绘制 Uoc-T 关系曲线，求出电池片的温 度特性。试分别说明短路电流 Isc 和最大输出功率 Pm 与温度之间的关系。 （2） 单晶硅太阳能电池光强特性实验 温度控制在 25℃，测量不同档位下单晶硅太阳能电池片的输出 I-V 特性（注：每次换挡过后等 光源稳定 5 分钟以后再进行实验），研究开路电压、短路电流和最大输出功率随光强如何变化。 实验步骤： ① 氙灯光源置于 1 档，使用光强探测器测量此时的光强，测试成功后取出光强探测器，放入 单晶硅电池片，记录单晶硅电池的 I-V 特性、开路电压、短路电流和最大输出功率，计算 填充因子和转换效率。 ② 依次调节光强档位至 2~6 档，重复以上步骤。 绘制单晶硅在不同光强下的 I-V 特性曲线，试说明随着光强的变化，其输出特性如何变化？为 什么？ 根据各光强 Ee 下得到的单晶硅电池片的开路电压 Uoc、短路电流 Isc 和最大输出功率 Pm，绘制 Uoc-Ee、Isc-Ee、Pm-Ee 关系曲线。试说明这些参数与光强之间的关系。 （3） 不同太阳能电池片的输出特性 温度控制在 25℃，氙灯光源置于 5 档，测量单晶硅、多晶硅和非晶硅三种太阳能电池片的输出 I-V 特性，比较三种电池片输出特性的异同。 ① 使用光强探测器测量此时的光强，测试成功后取出光强探测器，放入单晶硅电池片，记录 单晶硅电池的输出 I-V 特性、开路电压、短路电流和最大输出功率，计算填充因子和转换 效率。 ② 更换太阳能电池片，重复以上步骤，测量多晶硅、非晶硅电池片的输出 I-V 特性。 根据实验数据，绘制相同实验条件下，不同硅片的输出 I-V 特性曲线，比较三者的异同。根据 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100 太阳能光伏电池实验(探究型)系统实验指导及操作说明书 第 12 页 共 13 页 计算得到的转换效率 η，比较三者的转换效率。 （4） 太阳能电池光谱灵敏度实验 将温度控制在 25℃，氙灯光源设定在 5 档。加载不同滤光片，放入光强探测器，测量透过滤光 片后光强探测器产生的电流 I'(λ)。取出光强探测器，放入各单晶硅太阳能电池片，测量加载滤光片 后单晶硅的短路电流 I(λ)，通过原理中所述比对法结合原理描述中给出的相对光谱灵敏度参考值就可 以进行光谱响应曲线的绘制。然后，按照同样的方法测试多晶硅和非晶硅的光谱相应曲线。 实验步骤： ① 插入光强探测器，加载 395nm 滤光片，记录此时的光强探测器产生的电流 I'(λ)，将光强探 测器换成单晶硅片，记录对应的短路电流 I(λ)。 ② 将滤光片换成 490nm、570nm、665nm、760nm、865nm、950nm、1035nm，重复以上步骤。 ③ 计算单晶硅电池片的绝对光谱响应，再计算各自的相对光谱响。 ④ 将单晶硅电池片分别换成多晶硅和非晶硅，重复以上步骤。 分别描绘及比较各种太阳能电池片的相对光谱灵敏度曲线，试分别说明各种太阳能电池对太阳 光哪些波段最灵敏。 注意事项 一、氙灯光源 1. 机箱内有高压，非专业人员请勿打开，否则易造成触电危险。 2. 机箱表面温度较高，请勿触摸，避免烫伤。 3. 请勿遮挡机箱上下进出风口，否则可能造成仪器损坏。 4. 氙灯工作时，请勿直视氙灯，避免伤害眼睛。 5. 严禁向机箱内丢杂物。 6. 为保证使用安全，三芯电源线需可靠接地。 7. 仪器在不用时请将与外电网相连的插头拔下。 二、氙灯电源 1. 为保证使用安全，三芯电源线需可靠接地。 2. 仪器在不用时请将与外电网相连的插头拔下。 3. 氙灯启动时氙灯光强选择旋钮必须放到第 6 档，否则可能无法点亮氙灯。 4. 关机时，按下关机按钮 15 秒内氙灯未熄灭，说明仪器出现故障，应按下紧急开关按钮。 三、测试主机 1. 风扇在高速旋转时，严禁向内丢弃杂物。 2. 实验时请关闭顶盖，关闭顶盖时应注意安全，不要夹到手指。 3. 为保证使用安全，三芯电源线需可靠接地。 4. 请勿遮挡机箱风扇进出风口，否则可能造成仪器损坏。 5. 仪器在不用时请将与外电网相连的插头拔下。 6. 温控开启后，若发现制冷腔散热器风扇未转应按下紧急开关按钮，待修。 四、实验配件 1. 太阳能电池板组件为易损部件，应避免挤压和跌落。 2. 光学镜头要注意防尘，注意不要刮伤表面。使用完毕后，应包装好置于镜头盒内。 滤光片在强光下连续工作应小于 30 分钟，否则将损坏滤光片。 四川世纪中科光电技术有限公司 传真：（028）64082508 地址：四川省成都经济技术开发区（龙泉驿区）南二路 309 号 电话：（028）61430706 61430729 邮编：610100