基于半导体制冷片的太阳能电池温度特性实验研究

穆瑞珍

摘要：在现有太阳能电池特性教学实验仪的基础上，设计了基于半导体制冷片的太阳能电池温度特性实验，拓展了太阳能电池的实验内容。实验结果与理论相符，很好的验证了温度对太阳池开路电压、短路电流及其光照特性的影响。

关键词：太阳能电池，开路电压，短路电流，温度特性

1、 引言

太阳能光伏发电技术是现阶段最具前途的发电技术。太阳能电池作为光伏发电的电源装置，其特性测试对提高其生产工艺水平和性能研究有重要的参考价值。然而太阳能电池发电的过程是个放热过程，温度的升高会降低硅半导体的禁带宽度，使其伏安特性变差。随着光伏电池温度的升高，开路电压明显减小，而短路电流略有上升，太阳能电池转换效率降低【1】。因此，温度是影响太阳能电池光电转换效率的重要因素之一，要提高太阳能的发电效率，必然避不开对温度特性的研究。

传统太阳能電池特性测量的实验装置，主要研究太阳能电池的光照特性、I-V特性和负载特性，无法对温度特性进行测量。本文研制了基于半导体制冷片的温度控制装置，并在此基础上，测量不同温度条件下太阳能电池光照特性、I-V特性等参数的变化情况。

2、 原理

2.1太阳能电池

太阳能电池的主要结构是PN结，在没有光照时其特性可视为一个二极管，由二极管特性，可得到二极管电流Id为：

（1）

式中：IS为反向饱和电流，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量，V为结电压。

当光照射在太阳能电池表面的PN结上时，只要入射光子的能量大于半导体材料的能隙，则光子被太阳能电池吸收而产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。以恒定速率产生的电子-空穴对提供了通过PN结的电流，如图1所示，EC为半导体导电带，EV为半导体价电带。

太阳能电池输出的净电流I是其光生电流和二极管电流之差，如图2所示，故光照条件下太阳能电池的伏安特性可表示为：

（2）

当太阳能电池的输出端短路时，即V=0，由（2）式可得到短路电流：ISC=Iph

当太阳能电池的输出端开路时，即I=0，意味着Iph=Id，由（2）式可得到开路电压：

（3）

填充因子是太阳能电池的一个重要指标，其定义为最大功率与开路电压与短路电流

（4）

随着温度升高，太阳能电池的短路电流略微增加，而开路电压和填充因子线性减小，导致输出功率和转换效率随温度升高而下降。

2.2半导体制冷原理

半导体制冷是以温差电现象为基础的制冷方法，它是利用“塞贝克”效应的逆效应-“帕尔帖”效应的原理达到制冷目的。将两种不同半导体材料组成两个接点，形成闭合回路，如果两接点的温度不同时，就会在回路中产生一个电势差，这种现象称为温差电效应，也称为塞贝克效应。反之，在两种不同半导体组成的闭合回路中，若通以直流电，就会使一个接点变冷，一个接点变热，从而形成温差，这称为“帕尔帖”效应。因此，通过控制电流的方向和大小，可以实现制冷/加热的目的。半导体制冷的优点在于无制冷剂，无噪声，不污染环境，体积小，重量轻，而且可电流反向加热，非常方便地实现冷却和加热两种目的。

3、 实验系统结构框图

实验系统主要由光源、太阳能电池板、制冷模块和温显模块等部分组成，如图3所示。实验采用3个制冷模块，并分别在单个模块工作、两个模块工作和三个模块全部工作的情况下实现对太阳能电池板工作环境温度的改变，并用温度显示模块记录高、中、低三个不同的实验温度。

3.1光源

为较好的模拟太阳光，白光光源选用碘钨灯，其发光光谱跟太阳光的光谱较为接近；基于现有实验条件，太阳能电池板选用普通单晶硅太阳能电池，其受光面积为150*150mm。这里光源和电池板采用FB736A型太阳能电池特性研究实验仪里的配件，可直接使用。

3.2制冷模块

半导体制冷器的基本元件是热电偶对，在帕尔贴效应的基础上实现的。本实验选用半导体制冷片TEC1-12706作为制冷元件，该制冷片最大产冷功率为58W，最大工作电压为15V，最大工作电流为5.8A，最大温差为67℃。要达到较好的制冷效果，除选用合适的电压电流外，热端要有良好的散热条件，冷端也要有良好的导冷条件。如图4所示，这里散热器采用纯铜导热管中加入制冷凝液，配合铝合金散热阵列，可更快传递热量，提高制冷效率。

3.3温度显示模块

温度显示模块由数显温度控制器与温度传感器探头组成，采用深圳兴达恒业科技的XD-W2308数显温控器和NTC热敏电阻温度传感器。该温控器测量精度为±0.1℃，测温范围可达-55℃～120℃，刷新频率0.2S，环境要求为-10℃～60℃，湿度要求20%～85%，可以满足本实验使用。选择热敏电阻作为本实验的温度传感器是因为热敏电阻具有高稳定性、小尺寸、灵敏和价格低等优点，每摄氏度可以改变几百欧姆，灵敏度比热电偶来得高。

4、 实验方法与结果

4.1测量不同温度下太阳能电池的光照特性：

把太阳能电池放在距离白光光源X0=20cm的水平距离接收到的光照强度作为标准光照强度J0，然后改变太阳能电池到光源的距离Xi，根据光照强度和距离成反比的原理，计算出各点对应的相对光照强度J/J0=X0/Xi的数值，分别在单个制冷模块工作、两个制冷模块工作和三个制冷模块工作的情况下，测量不同温度下太阳能电池的短路电流ISC和开路电压UOC与相对光强的函数关系。

测量结果如图5和图6所示：随着温度升高，太阳能电池的短路电流增加，开路电压减小。这是因为温度的升高降低了材料的禁带宽度，使更多的光子激发电子跃迁，进而产生更大的光生电流；另一方面，温度的上升使太阳能电池的暗电流呈指数增大，而开路电压随着暗电流的增加而降低，所以开路电压随着温度升高而减小，且开路电压减小的程度要大于短路电流增加的程度。

4.2测量不同温度下太阳能电池的I-V特性：

将太阳能电池作为电源与负载连成一个回路，在白光光源照射下，测量太阳能电池在不同负载电阻下，太阳能电池的输出电流I对输出电压U的变化关系曲线。分别在单个制冷模块工作、两个制冷模块工作和三个制冷模块工作的情况下，三次测量太阳能电池的I-V特性，测量结果如图7所示。同时可得到太阳能电池的最大输出功率值及其对应的负载电阻，如图8所示。

5、结束语

温度是影响太阳能电池效率的一个重要因素。本文设计了基于半导体制冷片的太阳能电池温度特性实验，实验结果很好的验证了温度对太阳能电池光照特性的影响：温度升高使得太阳能电池短路电流小幅升高，开路电压明显降低，光电转换效率明显下降。该实验有利于学生在完成传统太阳能电池基本特性实验的基础上，拓展了实验内容，能更好的理解太阳能电池的温度特性。

参考文献：

[1]孙鑫，王文静，李兴元.温度对太阳能电池特性的影响[J]. 实验室科学，2013，16（8）：21-23.

[2]吴国盛，闻腾，王振文，刘淑平. 太阳能电池的温度特性研究[J]. 通信电源技术，2013，30（1）：19-22.

[3]茅倾青，潘立栋，陈骏逸，陆申龙. 太阳能电池基本特性测定实验[J]. 物理实验，2004，24（11）：6-8.

[4]李冰. 半导体制冷技术及其发展[J]. 山西科技，2009（7）：95-101.

[5]江松月，阎平，刘振玉.光电技术与实验[M]. 北京：北京理工大学出版社，2007.

基金项目：福建省教育厅中青年科研项目（JB14080），厦门理工学院教育教学改革与建设项目（JGY201624）