太阳能电池基本特性研究.doc

太阳能电池基本特性研究
一、实验目的与要求
(1)了解太阳能电池的工作原理及应用。
(2)测绘太阳能电池正向偏压时的I-U特性。
(3)测绘太阳能电池的伏安特性
二、实验类型
综合性实验
三、实验原理及说明
太阳能是一种新能源,对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前,太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法,一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电,二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题,许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。为此,我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验,介绍太阳能电池的电学性质和光学性质,并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验,联系科技开发实际,有一定的新颖性和实用价值,能激发学生的学****兴趣。
 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用,硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元,深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
1、半导体PN结原理

。
上图是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区,当P型和N型半导体材料结合时,由于P型材料空穴多电子少,而N型材料电子多空穴少,结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散,N型材料中的电子向P型材料这边扩散,扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷,N型区带正电荷,形成一个势垒,由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行,当两者达到平衡时,在PN结两侧形成一个耗尽区,耗尽区的特点是无自由载流子,呈现高阻抗。
当PN结反偏时,外加电场与内电场方向一致,耗尽区在外电场作用下变宽,使势垒加强;当PN结正偏时,外加电场与内电场方向相反,耗尽区在外电场作用下变窄,势垒削弱,使载流子扩散运动继续形成电流,此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。
太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流的关系为

其中是二极管的反向饱和电流,是理想二极管参数,理论值为1。是玻尔兹曼常量,为电子的电荷量,为热力学温度。(可令)
2、光电效应理论和光伏电池产生机理。
由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为的半导体所构成。为半导体导电带,为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时,光子被半导体所吸收,并产生电子-空穴对。电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势,这一现象称为光伏效应。
 
光电流示意图
 
 3、太阳能电池的理论模型
太阳能电池的理论模型是由一理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻Rsh与一个电阻RS所组成。如图
Ip
Id
I
Rsh
Iph-Id
Rs
U
RL
+
-
图中Iph为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流,Id为光照时,通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得:
式中I为太阳能电池输出电流,U为输出电压。
得
假定,太阳能电池可简化为下图
Ip
Id
U
I
这里,
在短路时,
而在开路时, 。
此即为太阳电池的开路电压和短路电流的关