太阳能电池特性的研究——一项有意义的创新研究实验

杨诗晨 刘 灿 徐铁钢

（1长郡中学高二年级组，湖南 长沙 410000；2中南大学物理实验中心，湖南 长沙 410083；3湖南省长郡中学，物理教研室，湖南 长沙 410000）

1 太阳能电池

全球面临能源短缺，目前根据已被科学家探明能源储量的情况是：石油可用40年左右；煤可用120年左右；天然气可用60年左右．并且火力发电使用燃煤污染环境，也迫使人们去发现和探索清洁能源的开发利用．

太阳能发电成为光伏产业最主要的组成部分．太阳能光伏发电是可以预见的清洁能源利用的最好方案．太阳能发电靠的是太阳能电池，太阳能电池又称为“太阳能芯片”或“光电池”，它是通过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，瞬间就可输出电压及电流．

目前太阳能电池主要是硅晶体电池即单晶硅、多晶硅、非晶硅三种类型电池．

光伏效应的基本原理：太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结，这个结构类似于晶体二极管的内部结构，单个太阳能电池单元的P－N结面积已远大于普通的二极管．图1为P－N结示意图．

图1 半导体P－N结示意图

当P－型和N－型硅晶体半导体材料结合在一起时，由于P－型半导体多空穴，N－型半导体多自由电子，在界面处出现了浓度差．N－区的电子会扩散到P－区，P－区的空穴会扩散到N－区，这样会在交界面区域形成一个特殊的薄层，即空间电荷区也称势垒电场．空间电荷区存在一个从N－区指向P－区的内建电场阻止扩散进行，内建电场与半导体内的扩散达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是P－N结．

当光照射P－N结上时，如果入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度（Eg），就会在半导体内产生大量的自由载流子－空穴和电子．它们在PN结内建电场的作用下，空穴往P－区移动，使P－区获得附加正电荷；而电子往N－型区移动，N－区获得负电荷，产生一个光生电动势，这就是光伏效应．当用导线连接P－型区和N－型区两端时，就会形成电流，从而向负载提供电能．

太阳能电池（也称光伏电池）的主要性能参数有开路电压Voc、短路电流Isc、最大输出功率Pmax、填充因子F．F、能量转换效率ηs（%），其中填充因子F．F和转换效率最能反映出太阳能电池性能优劣程度，其值越大，太阳能电池的光电转换效率越高．

填充因子和转换效率的计算公式分别是：

其中，Pin＝SI，S是太阳能电池有效面积．

我们对目前市场出现的三种硅晶体太阳能电池从三个方面进行了研究和探讨，并设计了三个最能反映太阳能电池性能的实验来测试其性能：

2 硅晶太阳能电池的暗伏安特性研究

暗伏安特性是指无光照射时，通过太阳能电池的电流与外加电压之间的关系．

测试原理图如图2所示．将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至50Ω后串联进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流（表1为暗伏安特性测量数据）．

图2 暗伏安特性测试电路

表1 三种太阳能电池的暗伏安特性

图3 伏安特性曲线

太阳能电池的暗伏安特性曲线（图3）表明，在无光条件下，太阳能电池的暗伏安特性与一般二极管类似，在达到开启电压前电流变化很小，一旦大于开启电压，单晶硅和多晶硅太阳能电池的电流便迅速增大，但非晶硅电池的正向导通电流较低，并没有产生较大电流．

3 硅晶电池开路电压、短路电流与光强照射关系的研究

光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱．调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光强，具体数值由光强探头测量．测试仪为实验室提供的电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强的数值，测量结果见表2和图4．

由实验结果可以看出，单晶硅、多晶硅电池的短路电流随着光强的增加而增长的速度明显高于非晶硅，这说明单晶硅、多晶硅电池在相同光照下产生电流的能力优于非晶硅电池．

表2 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系

图4 测量结果

4 硅晶电池输出特性实验的研究

表3与图5为实验结果。

表3 三种太阳能电池输出特性实验光源距离＝30cm，S＝0．003m2，光强I＝127W·m－2

续表

图5 实验结果

5 综合计算对比结果

从表3和图5可知，单晶硅、多晶硅电池在相同条件下产生的功率远远大于非晶硅，且由计算可知单晶硅、多晶硅电池的转换效率也大于非晶硅电池转换效率（表4）．

表4 对比结果

从另一角度看，开发太阳能电池的两个关键问题就是：提高转换效率和降低成本．单晶硅电池制作需消耗大量高纯度硅材料，制作工艺复杂，多晶硅电池制作成本相对低廉，工艺也相对简单，又无效率衰退问题；在一般光照情况下多晶硅电池转换效率和单晶硅相差不远，所以笔者认为多晶硅薄膜电池将成为占据太阳能电池市场的主要产品．

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体．据世界能源组织预计：到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上．这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位，由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔，而光伏发电离不开太阳能电池，选择性价比好的太阳能电池是光伏产业发展的重要内容．

［1］ 徐富新，刘碧兰．大学物理实验［M］．长沙：中南大学出版社，2013．

［2］ 茅倾青．太阳能电池基本特性测定实验［J］．物理实验，2004（11）：6－8，11．

［3］ 林明献．太阳能电池新技术［M］．北京，科学出版社，2010．

［4］ 格林．太阳能电池工作原理、技术和系统应用［M］．上海，上海交通大学出版社，2010．