太阳能电池特性实验讲义.docx

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太阳能电池特性实验讲义

太阳能光伏电池实验讲义

一、实验目的

1、了解pn结基本结构与工作原理；

2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理；

3、掌握pn结的伏安特性及伏安特性对温度的依赖关系；

4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，了解光源波长、温度等因素对太阳能电池特性的影响；

5、通过分析pn结、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。

二、实验原理

1、光生伏特效应

半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。

半导体材料具有负的带电阻温度系数。

从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。

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，pn结简单说就是p型半导体和n型半导体的基础区域，太阳能电池本质上就是pn结。

常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的pn结。

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。

这种效应是半导体材料的一种通性。

如图1所示，当特定频率的光辐照到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，载流子重新分布导致半导体材料内部产生电动势。

如果构成回路就会产生电流。

这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。

非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。

pn结是典型的一个例子。

n型半导体材料和p型半导体材料接触形成pn结。

pn结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。

制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。

杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的，不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。

图1pn结结构示意图

根据半导体基本理论，处于热平衡态的pn结结构由p区、n区和两者交界区域构成。

为了维持统一的费米能级，p区内空穴向n区扩散，n区内空穴向p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区积累了带有负电的不可动电离受主，n区积累了不可能电离施主。

载流子扩散运动的结果导致p区带负电，n区带正电，在界面附近区域形成由n区指向p区的内建电场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。

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。

如图2所示，如果入射光子能量满足关系

（Eg为半导体材料的禁带宽度），那么这些光子会被材料本征吸收，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，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。

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。

宏观的效果是在pn结两端产生电动势，也就是光生电动势。

图2光辐照下的pn结

光辐照pn结会使得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。

开路下pn结两端的电压叫做开路电压Voc，闭路下这种pn结等价于一个电源，对应的电流Isc称为闭路电流。

光生伏特效应就是光能转化为电能的过程，开路电压和闭路电流是两个基本的参数。

2、太阳能电池无光照情况下的电流、电压关系－（暗特性）

太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。

如果没有光照，太阳能电池等价于一个pn结。

通常把无光照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。

其电流与外加电压关系为肖克莱方程：

其中

为反向饱和电流。

A、D、n、p和L分别为结面积、扩散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。

根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件下太阳能电池I-V曲线不对称，这就是pn结的单向导通性或者说整流特性。

对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。

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、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流密度为：

由此可见随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子

迅速增大。

且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。

半导体材料禁带宽度是温度的函数

，其中

为绝对零度时候的带隙宽度。

设有

，Vg0是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。

由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为：

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。

3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系－（亮特性）

光生少子在内建电场驱动下定向的运动在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结势垒高度降低qVD－qV。

开路情况下光生电流与正向电流相等时，pn结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的开路电压Voc。

如图3所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过pn结，显然pn结相当于一个电源。

图3.太阳能电池等效电路图

光电流IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使pn结正偏。

如图3所示，正偏电压产生正偏电流IF。

在反偏情况下，pn结电流为

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4的等效电路图。

有两种极端情况是在太阳能电池光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或者闭路电流Isc。

其二是负载电阻

，外电路处于开路状态。

流过负载电阻电离为零，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Voc就是所谓的开路电压。

显然有

得到开路电路电压VOC为

开路电压Voc和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数。

实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池IV特性曲线与电流、电压轴的截距得到。

不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。

但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压Voc随着入射光强度对数式增大。

从半导体物理基本理论不难得到这个结论。

此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压Voc不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得pn结势垒为零时的电压值。

换句话说太阳能电池的最大光生电压为pn结的势垒高度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与材料的带隙宽度相当。

4、太阳能电池的效率

太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。

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化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100％。

就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。

太阳能电池的转换效率

定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值：

其中

在I－V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。

如图4光特性I－V曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。

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，即数学上是I－V曲线上坐标相乘的最大值点。

闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义

为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。

占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7～0.8之间。

太阳能电池本质上是一个pn结，因而具有一个确定的禁带宽度。

从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。

因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。

Si太阳能电池的最大效率大致是28％左右。

对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。

综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在10％～15％之间。

透镜的使用可以提高太阳能电池单位面积上的接收到的光能,因此提高电池的输出功率。

5.太阳能电池光谱响应

光谱响应表示不同波长的光子产生电子-空穴对的能力。

定量地说，太阳能电池的光谱响应就是当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。

太阳能电池的光谱响应又分为绝对光谱响应和相对光谱响应。

各种波长的单位辐射光能入射到太阳能电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为太阳能电池的绝对光谱响应。

如果每一波长以一定等量的辐射光能或等光子数入射到太阳能电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流比较，按波长的分布求得其比值变化曲线，这就是该太阳能电池的相对光谱响应。

但是，无论是绝对还是相对光谱响应，光谱响应曲线峰值越高，越平坦，对应电池的短路电流密度就越大，效率也越高。

太阳能电池光谱响应测试：

太阳能电池的光谱响应R（λ）是指在某一特定波长λ处，太阳能电池输出的短路电流I（λ）与入射到太阳电池上的辐射功率Φ（λ）的比值：

R（λ）=I（λ）/Φ（λ）

为确定入射到探测器上的光谱辐射功率Φ（λ），通常使用经过光谱标定的标准探测器对光源在某一特定波长λ处的辐射功率进行测量。

如果光探测器在某一特定波长λ处的绝对光谱响应是R′（λ），探测器在某光源特定波长λ处的输出电流为I′（λ），则该光源在特定波长λ处输出的辐射功率Φ（λ）就是：

Φ（λ）=I′（λ）/R′（λ）

如果在相同条件下测量太阳能电池，则太阳能电池的绝对光谱响应可以表达为：

R（λ）=R′（λ）［I（λ）/I′（λ）］

通过上述比对法就可以进行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，就得到对应相对光谱响应的曲线。

本测试系统采用比对法来测太阳电池的相对光谱响应,即采用标定过的光谱响应已知的光强探测器作为标准,则待测样品太阳电池的绝对对光谱响应为:

R（λ）=R’（λ）·I（λ）/I’（λ）

　　其中R’（λ）为比对光强探测器的相对光谱响应（见下表1）,I’（λ）为光强探测器在给定的辐照度下的短路电流,I（λ）为待测太阳电池在相同辐照度下的短路电流。

表1.光强探测器对应波长的相对光谱响应值

波长

395nm

490nm

570nm

660nm

710nm

770nm

900nm

1035nm

相对光谱响应值

0.065

0.224

0.417

0.618

0.718

0.815

1

0.791

光谱响应特性与太阳能电池的应用：

从太阳能电池的应用角度来说，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能确定转换效率，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。

6.太阳能电池温度特性

除了太阳能电池的光谱特性外，温度特性也是太阳能电池的一个重要特征。

对于大部分太阳能电池，随着温度的上升，短路电流上升，开路电压减少，转换效率降低。

下图5为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。

图5.不同温度时非晶硅太阳能电池片的输出伏安特性

表2给出了单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池输出特性的温度系数（温度变化1℃对应参数的变化率，单位为：

%/℃）测定的一次实验结果。

可以看出，随着温度变化开路电压变小，短路电流略微增大，导致转换效率的变低。

单晶硅与多晶硅转换效率的温度系数几乎相同，而非晶硅因为它的间隙大而导致它的温度系数较低。

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可能变化比较大，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。

三、实验设备

表2太阳电池输出特性温度系数的实例

（表中的数值表示温度变化1℃的变化率（%/℃））

种类

开路电压VOC

短路电流ISC

填充因子F．F

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

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

图片如图6：

图6整机图片

1、光路部分

本设备光路简洁，有光源、凸透镜、滤色片构成，见下图7。

图7光路示意图

2、测试主机

（1）面板介绍：

（见下图8）

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.PC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。

6.故障灯：

红色闪烁表示有故障，绿色表示工作正常。

7.工作状态：

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：

红色闪烁表示关机中，红色表示工作正常。

图8.测试主机面板示意图

（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。

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。

图9氙灯电源面板示意图

面板介绍：

（见上图9）

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。

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。

⑤.光强选择档位。

从1档到6档光强逐渐增大。

⑥故障灯：

红色闪烁表示有故障，绿色表示仪器工作正常。

⑦工作状态：

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：

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10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，660nm，710nm，770nm，900nm，1035nm。

5、太阳能电池板组

（1）太阳能电池板采用普通商用硅太阳能电池板，标称开路电压3.0V，单晶硅、多晶硅和非晶硅有效受光面积为30mm×30mm。

（2）光强探测器用于测定入射光强度。

其中光强探测器已采用标准光功率计进行了标定。

其表面积为7.5mm2。

四、实验内容

1.太阳能电池的暗伏安特性测量

①200C时的正向、反向特性；

②-100C时的正向、反向特性；

画出正、反向特性曲线。

2.太阳能电池的亮特性测试（200C时）

①开路电压，短路电流与光强关系测量；画出曲线；

②太阳能电池输出特性实验；画出I-V曲线；计算最大功率、填充因子、转换效率；

③太阳能电池光强实验3

测量在光强档在1、2、3档时，太阳能电池的电压和电流，在同一图上画出三个档时的I-V曲线。

求出不同光强下开路电压、闭路电流，列表。

④太阳能电池光谱灵敏度实验

测量8种波长下太阳能电池和光强探测器的短路电流，画出电池的绝对光谱响应随波长变化R（λ）~λ曲线；

测量各波长下的短路电流，画出短路电流随波长Isc-λ变化曲线。

3．太阳能电池温度实验

测量200C、50C和-100C时的伏安特性曲线、开路电压、短路电流、最大功率、转换效率和填充因子，并进行比较。

五、操作

1、开机

按下主机开按钮、氙灯电源按钮（置6档），打开计算机，双击“太阳能光伏实验”软件；在下面对话框中用户名和密码均输入“sa”登陆。

点击“换学生做实验”，在如下对话框中输入姓名、学号、实验编号、仪器编号、实验时间。

在如下对话框中输入实验样件的编号、名称、代码、受光面积等信息：

存储返回。

2、光强的预置和测量

步骤：

点击

，出现下图界面，室温→自定义，温度→20，“开始测量”，选全光谱，插入光强探测器，点击“开始测量光强”按钮，开始测量光强。

测量结果如图：

勾选“光强测量成功”，“存储返回”。

点击“

”，改变光强档位，依次测试各档位光强值。

加载395nm滤光片，“开始测量”，选择档位“06”，选“395nm”，插入光强探测器，点击“开始测量光强”按钮，开始测量光强。

勾选“光强测量成功”，“停止测量”，“存储返回”，记录短路电流。

同法依次测490nm、570nm、660nm、710nm、770nm、900nm、1035nm的滤光片后的光强值，同时记录短路电流值。

而后点击“停止测量”，“存储返回”，光强测量结束。

（也可以测完所有光强项目后一起存储）。

3、温度为200C情况下的操作

1）暗特性的测试：

正向测试：

图10光电池加正向电压

按图10原理，镜筒加遮光罩，室温条件（20℃）下对单晶硅太阳能电池片两端加0-3.5V的电压，测试流入太阳能电池的电流。

改变温度值为-10℃。

对太阳能电池片两端加0-3.5V的电压，测试流入太阳能电池的电流。

步骤：

“测量内容及参数选择”，“新增实验”，镜筒加遮光罩，“测量类型”选择“暗特性”，“暗特性方向”选择“正向”；设置温度，测量参数设置项参照下表：

样件类型

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

单晶硅

最小电压

值（V）

≥0

最大电压值

（V）

≤3.5

最大电流

值（mA）

<200

采样点个数

0-60

多晶硅

≥0

≤3.5

<200

0-60

非晶硅

≥0

≤3.5

<20

0-60

界面如图：

点“开始实验”。

结果界面：

点“进行温度控制”“开始更换”，“更换完成”达到温度后“开始测量”。

“返回”“存储返回”。

反向测试：

按图11示原理，镜筒加遮光罩，室温条件（20℃）下，对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流；镜筒加遮光罩，改变温度值为-10℃。

对太阳能电池片两端加0-36V的电压，测试流入太阳能电池的电流。

图11太阳能电池的反向加压

步骤：

“增添实验”，“暗特性方向”选择“反向”；测量参数设置项参照表：

样件类型

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

单晶硅

最小电压值

（V）

≥0

最大电压值

（V）

≤36

最大电流值

（mA）

<20

采样点个数

0-60

多晶硅

≥0

≤36

<200

0-60

非晶硅

≥0

≤30

<20

0-60

界面如图：

点“将进行温度控制”，达到目标温度后点“开始实验“，结果如图：

点“存储返回”。

2）亮特性测试

亮特性测试内容主要是在不同温度，不同光照强度，不同光谱的情况下，测试单晶硅太阳能电池输出的电压，电流，并计算输出最大功率和填充因子、转换效率。

原理如图12：

图12太阳能电池亮特性测试图

（1）开路电压，短路电流与光强关系测量

不加滤光片，室温20℃）下，改变氙灯光强大小，测单晶硅太阳能电池对应的短路电流，开路电压。

测量原理见图13。

图13开路电压闭路电流测试

步骤：

放入太阳能电池片，软件界面设置如下图所示：

“测量类型”选择“光照特性”；“实验类型”选择“参数测量”；光谱波长选择“全光谱”；温度和光强档位自行选择；勾选“测量短路电流和开路电压”。

参数设置好之后点击“开始实验”按钮，出现实验操作过程界面，点击“开始更换”按钮，更换滤光镜、减光镜或遮光盖，更换完毕之后勾选“更换成功”按钮，之后勾选“原校准的光强”，达到20度后，点击“开始测量”，开始测量数据；测量结果。

点击“返回”按钮，返回原设置界面，按“存储返回”，记录结果。

“新增实验”，更换光强档位，重新执行本次实验的上述测试步骤。

（2）太阳能电池输出特性实验

原理见图12。

通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流I,并计算输出功率POUT=V×I。

①填充因子计算：

，其中Pmax为输出电压与输出电流的最大乘积值，

VOC为本次测量的开路电压，ISC为本次测量的短路电流。

②转换效率ηs计算：

其中Pin为入射到太阳能电池表面的光功率，该光功率由光强探测器间接测得：

P=I*S,其中I为光强探测器测得光强值，S=7.5mm2为光强探测器采光面积。

步骤：

软件界面设置如：

“测量类型”选择“光照特性”；“实验类型”选择“参数测量”；光谱波长选择“全光谱”；光强选“6档”，测量参数设置项参照表4-3：

样件类型

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

参数类型

设定值

单晶硅

最小电压值

（V）

≥0

最大电压值

（V）

≤3.5

最大电流值

（mA）

不限

采样点个数

0-60

多晶硅

≥0

≤3.5

不限

0-60

非晶硅

≥0

≤3.5

不限

0-60

软件界面设置如下图。

参数设置好之后点击“开始实验”按钮，出现实验操作过程界面，点击“开始更换”按钮，更换滤光镜、减光镜或遮光盖，更换完毕之后勾选“