水浴法测量硅太阳能电池的环境温度特性

毕江林，王 威

(沈阳工业大学 a.信息科学与工程学院；b.理学院，辽宁 沈阳 110870)

1 引 言

太阳能是一种具有清洁、巨大、长久、广泛等多种优点的资源，已成为能源危机下人类首选的新能源之一. 当前，太阳能是公认的而且容易获取的绿色资源[1]. 提高太阳能电池的效率是开发和利用太阳能的首要任务[2]. 太阳能电池特性的测量与其开发和利用有着紧密的联系[3]. 目前许多研究主要通过计算机辅助测量、运用硅光电池特性实验仪以及运用单片机自动测量等实验手段对太阳能电池的表征参量进行测量和分析. 硅光电池的温度特性是指开路电压、短路电流和温度的关系. 由于温度直接影响光电池仪器的温度漂移、测量精度等重要指标，因此显得尤为重要.

本文从硅太阳能电池参量及效率的影响因素出发，运用水浴法设计了一套简易的物理实验测量装置，对硅太阳能电池的表征参量，如开路电压、短路电流、填充因子等进行了测量和讨论. 水浴法具有使被加热物体受热均匀、温度变化缓慢和易于控制等优点，因此在物理实验中得到了非常广泛的运用，如集成电路温度传感器特性测量，用电势差计测量电动势等实验[3]. 本实验装置采用水浴法，可以使太阳能电池受热均匀. 在加热过程中，水温变化缓慢，易于实验操作和控制. 此外，水浴法的上限温度为100 ℃，可防止加热系统失控时温度过高对太阳能电池造成损坏，从而获得安全、稳定的实验环境.

2 实验部分

2.1 实验原理

太阳能电池工作原理是基于光伏效应. 光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差. 太阳光照在半导体pn结上，形成新的空穴-电子对，在pn结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流.

2.2 太阳能电池的表征参量

1) 开路电压

在光照条件下，太阳能电池在两端开路时的输出电压值.

2) 短路电流

Isc=Iph=SL.

太阳能电池置于光照条件下，当输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流. 该电流与开路电压同为测量太阳能电池性能和转化效率的基本参量.

3) 最大输出功率

Pm=VmIm.

改变负载电阻值，使输出电压和电流的乘积最大时获得的输出功率.

4) 填充因子

太阳能电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比. 它体现太阳能电池输出功率随负载变动的特性，是衡量太阳能电池输出特性的重要指标.

上面各式中：e为电子电荷；Iph为光电流；Is为反向饱和电流；k为玻耳兹曼常量；T为工作绝对温度；S为光电流灵敏度；Vm最佳工作电压；Im最佳工作电流；L为入射光强度.

2.3 实验装置设计

太阳能电池环境温度特性探究装置主要由实验光源、太阳能电池板加热控制系统和测量电路3部分组成.

1)实验光源

白炽灯的光色和集光性能好，是应用最广泛的电光源. 并且，白炽灯的光色最接近于太阳光色. 故实验采用白炽灯作为实验光源照射电池板. 白炽灯的功率为5 W. 光源与电池板的距离为25 cm.

2)电池板环境温度控制系统

电池板环境温度控制系统由温度传感器、控制器、温度计、铁架台、磁性搅拌器等部件组成. 实验装置如图1所示. 该装置可以实现0～80 ℃

(a)主视图

(b)俯视图 图1 实验装置

的测量环境. 加热反馈控制系统包括温度传感器、控制器和加热管. 通过控制器设定加热温度，当水温达到预设温度时，控制器使加热管停止工作. 该反馈控制系统可达到粗略控制水温和安全实验的目的. 在加热过程中，磁性搅拌器持续旋转，搅拌水箱中的水，以保证温度均匀. 此外，由于水加热时，水温有缓冲，因此，在水箱中插入温度计(精度为0.02 ℃)实时监测水温的变化. 调节控制器上的加热功率控制旋钮来减小水温缓冲作用，从而获得精确稳定的水温. 根据热力学第二定律，当水温变化时，水箱和电池板将进行热传导. 由于水温对电池板的影响远大于室内环境温度对电池板的影响. 因此，水箱内水温可视为电池板的环境温度.

3)测量电路

综合考虑成本和实验的便捷，实验电路采用10 kΩ的定值电阻、最大阻值为9 999.99 Ω的变阻箱和单刀双掷开关实现太阳能电池负载阻值0～20 kΩ的变化. 通过另一单刀双掷开关，可以简单地实现开路电压和短路电流的测量. 实验电路图如图2所示.

图2 实验电路图

2.4 实验过程

1) 组建装置，将水箱装满冰水混合物，此时硅太阳能电池的环境温度为0 ℃.

2) 通过温度计密切观察水温的变化. 水温每升高10 ℃，等待片刻，待电池板充分受热后，测定各参量. 继续加热，直至水温达到80 ℃.

3) 快速搅拌，使水箱中的水温下降. 水温每下降10 ℃时，等待片刻，待电池板充分散热后，测定各参量. 继续散热，直至水温达到0 ℃.

3 数据处理分析

3.1 环境温度对开路电压和短路电流的影响

实验中，分别测定升温和降温过程中，相同环境温度下的开路电压、短路电流的平均值作为最终测量值，得到开路电压、短路电流随环境温度的变化关系曲线，如图3所示.

图3 开路电压、短路电流与环境温度的变化曲线

由图3可知，开路电压随环境温度的升高而降低，而短路电流随环境温度的升高而增大. 温度每升高10 ℃，开路电压下降0.176～0.230 V；短路电流上升8～12 μA. 运用最小二乘法拟合，可以得到开路电压和环境温度的关系式：U=-0.199t+4.942；短路电流和环境温度的关系式：I=10.110t+118.901. 由以上分析可以看出，开路电压和短路电流与环境温度都满足线性关系[6].

硅太阳能电池伏安特性曲线常被用来研究硅太阳能电池电阻的变化规律，涉及太阳能运用中系统集成和电路稳定性等多方面因素. 图4是不同温度下，硅太阳能电池的伏安特性曲线.

图4 硅太阳能电池的伏安特性曲线

由图4可知，随环境温度的升高，短路电流增大，而开路电压减小.

3.2 环境温度对最大输出功率的影响

逐渐增大太阳能电池的负载电阻值. 记录实验数据显示，环境温度每升高10 ℃，最大输出功率减小5.22～38.77 μW，最大输出功率对应的负载电阻减小19 250～24 750 Ω. 不同环境温度下，负载电阻和输出功率的关系曲线如图5所示.

图5 不同温度下负载和功率的变化曲线

由图5可以看到，随着环境温度升高，最大输出功率逐渐减小，最大输出功率对应的负载阻值也减小.

3.3 温度对填充因子的影响

图6表示环境温度t与填充因子FF的关系曲线. 从图中可以看到填充因子随环境温度的升高而明显降低. 这表明硅太阳能电池对光的利用率随温度的升高而降低.

图6 填充因子与环境温度变化曲线

从理论上分析，开路电压、短路电流和填充因子都是由于温度的升高使半导体材料的特性发生变化，电子和空穴的扩散和漂移加剧，尤其是迁移率随温度线性增长，使得半导体中的复合加快，载流子特征寿命降低，从而在pn结两端收集到的载流子数量减少[7]. 因此，随温度的升高，开路电压和填充因子降低，而短路电流升高，和实验结果一致.

4 结束语

本文采用水浴法研究环境温度对硅太阳能电池的开路电压、短路电流及填充因子等表征参量的影响. 研究结果表明，开路电压、短路电流与环境温度变化呈线性关系. 环境温度较低时，有助于硅光电池获得更大的输出功率和填充因子. 文献[8]运用半导体制冷原理，对硅太阳能电池的温度特性进行了研究. 与文献[8]相比，本文的实验装置简单，操作方便，通过温控系统也可以获得稳定的温度，得到的实验规律正确，结果可靠.

参考文献：

[1] 王政，郭山河，魏东东. 基于太阳能电池和超级电容的充电系统[J]. 物理实验，2012，32(10)：42-44.

[2] 王殿元，王庆凯，彭丹,等. 硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验[J]. 物理实验，2007，27(9)：8-10.

[3] 魏宇星，张健男，刘平洋,等. 太阳能电池特性的自动测量[J]. 物理与工程，2011，21(6)：25-28.

[4] 孙维民，宋大毅，姜源，等. 物理实验教程[M]. 北京：科学出版社，2011：112-214，224-227.

[5] 石星军. 大学物理实验[M]. 北京：国防工业出版社，2006：203-207.

[6] 张玮，杨景发，闫其庚. 硅光电池特性的实验研究[J]. 实验技术与管理，2009，26(9)：42-46.

[7] 秦红，沈辉，张仁元，等. 温度对太阳能电池效率的影响及改善方法分析[A]. 第八届光伏论文集[C]. 20.

[8] 杨景发，王娜，国唯唯，等. SI太阳能电池温度特性测量装置的设计[J]. 中国仪器仪表，2012，(7)：54-57.