太阳能电池探究亮特性光照强度关系Word文件下载.docx
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太讯能电池是目前太讯能利用的关理坏节,核心毗是pn结和光生伏特效应
晶体畦太81电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间不会改变,因此提高SIMJ太皿电池效率,降低生产成本,使晶体琏太阳电池能与常規能源进行竞争成为现今光伏时代的主題•太阳能是最具发展潜力的新能源。
光伏发电是解决能源危机,实现能源可持续发展的重要迩径之一。
徒太皿能电池是当今市场的主流产品,其最高效率是24.7%,由新南域尔士大学马丁•恪林教授研制的PERL单晶徒电池取得单并保持至今。
娠续提高转换效率十分困难,但电池的效率会厲富度和光强变化而变化。
因此,研究温度和光強对太81能电池的影响是必要的。
二、丈阳能光伏电池实验
(一)实验目的
1•了解M结的基本结构与工作原理。
2.了解太用能电池组件的基本结构,理解其工作原理。
3•掌fipniS的I-V特性(整流特U)K其对温度的依輙关系。
4•掌握太皿能电池基本特性参数測试原理与測试方法,理解液长因素对太阳能电池输岀特性的影响。
5•通il分析太皿能电池基本特性参数測试数弼,进一步熟悉实騎数据分折与处理的方法,分折实醴数据与理论结果间存在差异的原因。
(二)实验原理
太91能电池是通il光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装
置。
只要被光照到,瞬同就可输出电压及电流。
在物理学上称为太皿能光伏(Photovoltaic,photo光线,voltaics电力,缩写为PV),简称光伏。
以光电效应工作的轉膜式太阳能电池为主流,而以光化学效应工作的湿贰太阳能电池JM还处于购芽阶段。
1・pn结与光生伏特效应
半导怵林料是一类特殊的林料。
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,I8外界坏境(如温度、光照等)发生剧烈的变化。
从林料能带结梅说,迪类林料具有导带Ec、价带Ev和禁带Eg。
温度、光照等因素可以使价带建子趺if到导带,改变林料的电学性质。
半导体林料谨行有必要的掺杂处理,调整它们的电学特性,以便制作岀性能更稳定、灵敏度更高、更低的电子器件。
基于半导It林料电子器件的理信结构通常是pn结,简单地说,M结就是p塑半导体和n型半导体接触形成的基础区域。
太皿能电池,本质上就是M结。
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Io■o-
空穴电离受主电子电离施主
F区■血Z区
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csT罗爭
它间电荷区
图1pn结形成上图为剧接II时,下图为达到平SffiW
n里半导休是在4fHJ中掺人5价杂志,杂技原子与相邻原子组成共价罐后,尚多余一个电子,故电子为名数载流子,5价原子称为施主杂质。
杂志原子差不名部是电离的,施主杂技电离后因失去一个电子二成为正离子。
P里半导休是在4价旌中掺人3价杂质,杂技原子与相邻原子组成共价建,尚缺少一个电子,故空穴为名数载流子,3价原子號为受主杂质。
杂志原子差不多都是电离的,受主杂技电离后因得到一个电子而成为负离子。
根据半导体基本理论,处于热平術态的pn15由P区、n区和两者交界区域枸成,如图1所示。
网接触时,电子由费米能级低的地方流动,空咒則相反。
为了绒持统一的费米能级,介区电子向P区扩散,P区空穴向n区扩散。
議流子的定向运动导致原来的电中性条件被破坏,P区累计带负电且不可務动的电离受主,n区枳累带正电且不可朽动的电离施主。
载流子扩散运动导致在界面iifiE域形成由n区指向p区的建电场和相应的空同电荷区。
显然,两者费米能级的不貌一是导致电子空冗扩散的原因,电子空冗扩散Q导致岀现空间电荷区和建电场。
而建电场的强度取决于空同电荷区的强IS,见电场具有组级扩散运动进一步
发生的作用。
当两者貝有貌一费米能级后扩散运动和建电场的作用相等,P区和n区两端产生一f高18为的势垒(如图2(a)),(是n区高岀p区的电15,HP电位梯度,是能量悌度,称为势垒)。
理想pn结模塑如下,处于热平画的pn结空间电荷区没有我流子,也没有栽流子的产生与复合作用。
当有人射光垂直人射到pn结,只要M结给深比较浅,人射光子会透11M结区域甚至能深人半导体册。
如果入射光子能量满足关系hvE0(E0为半导体林料的禁带宽度),那么这些光子会被林料吸收,在png中产生电子空穴对。
光照条件下林料休产生电子空冗对是典型的非平術载流子光注人作用。
光生我渣子在P区空穴flnE电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的,可以忽略不廿。
但是对少数载流子将昌盛显著影«
8UPE电子和口区空穴。
在为匀半导体中光朋射下也会产生电子空穴对,但它们很快就Q会通11各种复合机制复合。
态pn中悄况有所不同,主要原因是存在建电场。
在建电场的驱动下P区光生少子电子向n区运a,nE光生少子空冗向p区运动。
这种作用有两方面的依现:
第一是光生少子在建电场驱动下定向运动产生电流,送就是光生电流,它由电子电流和空穴电流组成,方向都是有n区指向p区,与建电场方向一致;
第二,光生少子的定向运动与扩散运动方向相反,减弱了扩散运动的強度,pn给势垒高18降低,甚至会完全消失(如图2(b))。
宋观的效果实在M箱两端产生电动势,也就是光生电动矜。
光生伏特小勇即是指半导体在受到光照时在向光面和背光面之间产生电动卿的现象。
如果构成回路就会产生电流,这种电流叫做光生电流。
图2(a)热平衡时的pn结(b)光照下的pn结
从给构上说,常见的太阳能电池是一种浅给深、大面枳的pn结(如图3)。
太阳能电池之所以能嚴完成光电转換il程,核心物理效应是光生伏特效应。
光照会使得M结矜垒高度降IK甚至消失,这个作用完全等价于在pn结两常施加正向电压。
在这种悄况下的M结就是一个光电池。
将多个太皿能电池通过一定的方式进行串并朕,并封装好就形成了能肪风雨的太皿能电池组件(如图4,图中EVA是ethylenevinylacetatecopolymer的编写,中文是乙晞58殿乙烯共聚物,PVF
是poluvinylfluoride的缩写,中文是聚氟乙烯)。
外现區意图
剖面图
图3太阳能电池结枸示意图
2.太阳能电池光照W的电流电压关系一亮特性
太81能电池的亮特性是指太阳能电池在光照的条件下输出伏安特UoSXffl能电池的性能参数主要有:
开路电压Voc、姬路电流L、最大输出助率Pm、转换效率T]和填充因子FF。
光生少子在建电场驱动下的定向运动在pn结部产生了n区指向p区的光生电流II,光生电动势等价干加教在pn结上的正向电压V,它使得pn结势垒高度降至q(Vo-V)o理想悄况下太皿能电池负载等效电路如下图,把光照下的pn结看作一个理想的二极菅和恒流源并联。
恒流源的电爲即为光生电流II,If为通HZffi管的结电流,Rl为外加负载。
可见,太用能电池就相当于—个电源。
该等效电路的物理意义是:
太用能电池光照后产生一定的光电流II,其中一部分用来抵消结电流If,另一郡分哄给负我的电流I。
有等效电路图可知:
I—Il-If=II-Isexp[比]—1
(血丿⑷
-+
光生电流在光电池部总是由N区向P区反向流动,因此太阳能电池的电流总是反向的。
根据上面的等效电路图,有两种枚常悄况是在太皿能电池光特性分折中必须考虑的。
其一是负载电阳Rl=0,这种悄况下加载在负裁电皿上的电压也为零,M结处于短路状态,此时光电池输出电流我们林之为短路电潦Ise:
Isc—Il
其二是负我电阻Rl-b,外电路处于开路状态。
流过负我的电流为零,根据等效电路图,光电流正好被正向结电流抵消,光电池两竭电压Voc就是所谓的开路
电压。
显然有
开路电压Vw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81能电池I-V特性曲线与电压、电流轴的截距。
不难理解,I®
着光照強BE®
大,太阳能电也的短路电SffiffJS电压部会增大,但是Ki光强变化的規律不同:
根播半导体物理基本理论,矯路电流L正比干人射光强度,开路电压Vocli着人射光强度对数增大。
此外,从太阳能电池的工作原理考虑,开路电压说不会I®
着人射光强慣增大而无限增大,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V。
,是一f林料带隙、掺杂水平等有关的值。
实际悄况下,开路电压值
Voc与E0/q相当。
太81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感要和重要的。
根摒热力学原理,8HI1知道任何的能量转换11程牺乂越®
卿越』H池而言,我们需ft®
的是,{专换效率与
W(X)%%O就太曲能电
素有关以及如何提高太皿能电池
的转换效率。
太皿能电池的转换效率f]定义为最夫输岀功率Pm和人射光的总功
率Pin的比值:
其中,Im、讥为最大功率戊对应的工作电流、工作电压,巳为由光探头测得的光
強度(单位:
W/m2),S为太阳能电池片受光照射的面枳(有效光照面枳)。
图5为太皿能电也的输岀伏安特性曲线,其中lmsVm在I-V关系中构成一个矩形,叫做最大功率葩形。
曲线与电流、电压轴交自分别是短路电流和开路电圧。
最大助率矩形Pm的物理含义是太皿能电池最大输岀功率自,数学上是I-V曲线上横、纵坐标乘枳的最大值点。
短路电流和开路电压也形成一个拒形,面枳为IscVoco定义:
为填充因子,图形中它是两个拒形面枳的比值。
填充因子反应了太皿能电池么实观助率的度量,通填充因子在0.5-0.82间。
太阳能电也的转换效率是它的最重要的参数。
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。
只有能量大于禁带宽度的人射光子才有可能激发光生颈流子并媒而发生光电转化。
因此人射到太81能电池的太只有光子能量高于禁带宽B!
的部分才会实现能量的转化。
太阳能电池效率损失的原因主要有:
电池表明反射、电子和空冗在光敏感层之外由于重组而造成的损失,以及光敏层的犀度不舉等因素。
综合来看,单晶徒太K1能电池的最大量子效率的理论值大约是40%。
实际上,大規模生产的太KI能电池的效率还达不到理论极限的一半,只
IscVoc
有百分之十几。
(三)实验设备
本仪器定位于探究性实騎系貌,除可以测量配套的样件以外,实验者还可以利用本系貌测量其自制电池片组件。
系统主要SIS:
氤灯电源、光源、测试、配套軟件、USB通信线、电也片组和滤光片组。
一起组成:
測试主机、氤灯电源、氤灯光檢、滤光片组和电池片组。
实验操作和显示由廿算机軟件来完成。
整机图片(图8)fllfi器构成示总图(图9)fflT:
图8整机图片
图9仪器构成示意图
方左丈:
七
•\
r・・>
cM
ii
1•光路部分
本设备光路简洁,由氤灯光源、岀透鏡、滤光片沟成。
2•測试主机
(1)面极介给:
(见下图10)
紧急停机按8h直接按下为关,顺时ft陡转自动归位
关机按担:
正常关机按担
开机按鈕:
正常开机按別
PC接口:
与廿算机通信的USB接口
光源同信接口:
与氤灯电源通信,接收氤灯光源的状态信息(暂未使用)
故障指示灯:
红色闪烁表示有故曄,绿色表示工作正常
工作状态指示灯:
纟I色闪烁表示腔ia®
iS整中,绿色表示未ahig®
调整电源指示灯:
红色闪烁表示关机中,纟I色表示工作正常。
(2)电路部分
电路部分atiia®
控制电路和si试电路两个部分。
is控电路用于太讯能电池片所在的腔温室的温度腔制,在一定IB,可使控温室达到牯定iSISo测试电路用于太UB能电池片各性能的数据,该电路将测得的数据传送给廿算机,由计算机进行数据的处理和显示。
(3)控泪室
给太阳能电池片提供一个"
0°
C~40摄氏度的恒富測试坏境。
图10测试主机面板示意图
电源与氤灯光源
(1)MiT电源:
鼠灯电源用于氤灯的自滋、轴逍风冷以员光源腔体除湿。
面极介(见下图门)
紧急停机按01:
直接按下为关,顺时针选转自aD3E
关机按01
开机按31
光源通信接口:
与测试主机通信,传送氤灯光源的状态信息(暂未使用)
光強选择档位:
m档到6档光強逐浦増大
红色闪烁表示有故曄,绿色表示仪器工作正常、
纟I色闪烁表示腔滔度调整中,绿色表示未进行温度调整。
电源指示灯:
红色闪烁表示关机中,纟I色表示正常工作。
筑灯电源
e订丸
••xMe-
尙W申
③
图11筑灯电源面板示意图
(2)an光源
采用高压氤灯光源,高压氤灯具有太相近的光谱分布特征。
光源功率750W,岀射光孔径为50nm;
氤灯启动il程巾有3分鉀的腔体除湿,肪止因空气湿度过大氤灯不能正常启动。
启动过程中,光强档位必须笊置在第6档才能启动,若光強档位选择不是第6档,会岀现短促的报警声,此时只需把光強档位1H整到第穴档即可正常启动。
实醴时氤灯点亮后约30分鉀隐定后再使用。
4•滤光片组
滤色片用于研究ifittl单色光作用下太91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、770nms900nm、1035nmo
5.太阳能电池片组
(1)太Hl能电泡片组色括单晶旌、多晶徒和非晶畦,均采用普通商用5J太皿能电池片。
本实騎室在用的各组件的有效受光面枳有30mmx30mm和28mmx25mm两种。
(2)在光照特性实騎中,光強探测器用干测定人射光強度,已通11标准光助率itill标准;
在光谱特性实验中,光强探测器的光谱曲线是已知的。
本实騎室在用的光强探測器的有效受光面枳有5.7mmx5.7mmfH2.5mmx3.0mm两种。
(El)实验容与步骤
1•容:
温度控制在25T,測量不同光強档位下太I刑能电池片的l-V、P-V输岀特性;
研究开路电压、類路电流、填充因子和转换效率I®
光强血何变化。
2•实验步骤:
(1)氤灯光源置于1档位,測量单晶庭电池片在全光谱照射下的
l-V.P-V输出特性,记录开路电压、婕路电流和最大输出功率,廿算填充因子。
(2)依次调节档位2~6档,重复以上步骤。
绘抽单晶旌在不同光喷下的I」、P-V曲线,试说明甌着光强的变化,其输出特性如何变化?
为什么?
根据各光強Ee下得到的单晶徒电池片的开路电压Voc、短路电流Isc、最大输岀助率Pm、转换效率Ti和填充因子FF。
绘$ijVoc-Ee.Isc-Ee.Pm-Ee、n-Ee、FF-Ee关系曲线。
试说明这些参数与光喷之同的关系。
(五)注意事项
l.ffiff光源
(1)机箱有高压,非专业人员请勿打开,否処易造成触电危险。
(2)机箱表面温度较高,请勿触模,避免烫伤。
(3)请勿逆拾机箱上下进岀风口,否则可能造成仪器损坏。
(4)ani作时,请勿直视氤灯,避免伤害服睛。
(5)服睛向机箱丢杂物。
(6)为保込使用安全,三芯电源线需可靠接地。
(7)仪器在不用时请与外电网相连的插头抜下。
电源
(1)为保込使用安全,三芯电源线需可靠接地。
(2)仪器在不用时请与外电网相连的插头抜下。
(3)MIT启动时氤灯光强选择旋担必须放到第6档,否则可能无法电亮氤tTo
(4)关机时,按下关机按0115枚氤灯未熄灭,说明仪器出现故肾,应按下紧急开关按31。
3•測试主机
(1)风扇在高速旋转时,严禁向丢弃杂物。
(2)实验时请关冈顶盖,关冈顶盖是应注意安全,不要夹到手指。
(3)为保込使用安全,三芯电源线需可靠接地。
(4)请勿逆档机箱岀风口,否则可能造成仪器损坏。
(5)一起在不用时请将与外电网相连的插头抜下。
(6)温腔开启后,若发世制冷腔散热器风扇未转应按下紧急开关按粗,侍修。
4•实验配件
(1)太阳能电沦板组件为易损部件,应避兑播压的跌落。
(2)光学鏡头要注恿航尘,注恿不要刮伤表面。
使用完毕后,应包装好置
于镜头盒。
滤光片在強光下连续工作应小于30分鉀,否则将损坏滤光片。
(A)实验结果及数稠处理
1•不同档位的开路电压、短路电流和最大输出功率。
光源功率档位W/irT2
1
2
3
4
5
6
开路电压Voc(V)
2.78
2.8
2.85
2.87
2.9
2.91
短骆电流ISC(mA)
17.3
20.6
28.6
33.05
45.2
53.9
最大输岀功率PMMN)
48.094
44.583
62.59
71.99
96.702
113.73
2•廿算得不同档位的填充因子和转换效率
冼源功率住位W/H2
转拗效率q
1.19%
1.17%
1.21%
填齐因子FF
0.767
0.773
0.761
0.759
0.738
0.725
3•绘制单晶储在不同光强下的l-V、P-V曲线
1朋IT
+牙刃:
3也位】T
if■及刃II
f-•玄和:
W5KI-V
2(5沖
4绘制Voc-Ee、Isc-Ee.Pm-Ee.n-Ee、FF-Ee关系曲线。
r]~Ee
(七)实验结论
当光強为3433.56—10617.33W/时,册着光照强度E增大,太阳能电池的短路电流增大,短路电流Isc正比于入射光强度。
短路电流等于光生电渣。
光强=nhv,n为光子数,如果人射光子能量大于等于半导休的禁带宽It,8U么这些光子就会被林料吸收,在PN结产生电子空冗对。
尽菅光生我流子对多数裁流子影响很小,
⑵太HI能光伏电池实騎(实验指导及II作说明书)
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