太阳能电池特性的实验研究与应用

陆世杰

(哈尔滨理工大学 理学院，黑龙江 哈尔滨 150080)

太阳能电池，也称为光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换为电能的器件。由这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将一块以上的组件组合成一定功率的太阳电池方阵，经与储能装置、测量控制装置及直流交流变换装置等相配套，即构成太阳能电池发电系统，也称为光伏发电系统[1-3]。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染等优点[4-6]。目前，太阳能电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域(通信设备、气象台站、航标灯等)的重要电源[7,8]。

针对太阳能电池的特性进行系统的实验研究,给出不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U0和短路电流IS；在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P和负载电阻R的函数关系；确定太阳能电池的最大输出功率Pmax以及相应的负载电阻Rmax和填充因数；给出了太阳能电池应用的实验方案，让学生参与设计，调动学生的积极性，提高学生实验的兴趣，启发创新思维[9-10]。

1 实验原理

当光照射在距太阳能电池表面很近的PN结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在P区、N区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对。产生的电子-空穴对在内电场的作用下分别移向N区和P区。导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与PN结的内建电场方向相反的光生电场，在PN结上产生光生电动势，其方向由P区指向N区。这一现象称为光伏效应[11]。

图1 太阳能电池的工作原理

太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。如图1所示，当光照射太阳电池时，将产生一个由N区到P区的光生电流IS。同时，由于PN结二极管的特性，存在正向二极管电流ID，此电流方向从P区到N区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I为两个电流之差：

I=IS(Φ)-ID(U)

(1)

式中VD为结电压，I0为PN结的反向饱和电流，N称为理想系数(N值)，表示PN结特性的参数，通常在1～2之间，q为电子电荷，kB为波尔兹曼常数，T为温度。

如果连接一个负载电阻R，电流I可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的负方向电流IS，以及取决于端电压U的正方向电流ID(U)。由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线(见图2)。

当太阳能电池的输出端短路时，可以得到短路电流，它等于光生电流IS。当太阳能电池的输出端开路时，可以得到开路电压U0。

在固定的光照强度下，光电池的输出功率取决于负载电阻R。太阳能电池的输出功率在负载电阻为Rmax时达到一个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。

Ri=U0/IS

(2)

这个最大的功率比开路电压和短路电流的乘积小(见图2)，它们之比为

(3)

F称为填充因数。

此外，太阳能电池的输出功率

P=U·I

(4)

是负载电阻R的函数

R=U/I

(5)

太阳能电池的转换效率η定义为太阳能电池的最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能之比，即

(6)

用几个太阳能电池组合成一个太阳能电池。串联会产生更大的开路电压U0，而并联会产生更大的短路电流IS。在实验中，把2个太阳能电池串联，分别记录在四个不同的光照强度时电流和电压特性。光照强度通过改变光源的距离和电源的功率来实现。

2 测量装置

测量的实验装置主要由太阳能电池特性测试仪，亮度可调的光源，太阳能电池板，可变电阻组成。实验装置如图3所示。

测试仪面板上同时显示太阳能电池的输出电压、电流和入射光强。

3 实验方法

把太阳能电池插到插件板上，用两个桥接插头把上边的负极和下面的正极连接起来，串联起2个太阳能电池；插上电位器作为一个可变电阻，然后用桥接插头把它连接到太阳能电池上；连接电流表，使它和电池、可变电阻串联；连接电压表使之与电池并联；连接光源与电源，使灯与电池成一线，以使电池均匀受光；接通电路，将可变电阻器阻值调为最小以实现短路，并改变光源的距离和调节电源输出功率，使短路电流大约为45 mA，同时记录入射光强；逐步改变负载电阻值，分别读取电流和电压值，记入表1中；断开电路，测量并记录开路电压；调节电源功率，分别使短路电流约为35 mA，25 mA和15 mA，并重复上述测量。

表1 不同入射光强下太阳能电池的输出电压U和电流I数据(短路电流IS开路电压U0)

4 实验结果分析

由表1数据做出的I-U曲线如图4。

图4 不同入射光强下太阳能电池测量太阳能电池的I-U曲线

由图4可以看出，入射的光强越大，太阳能电池输出的电流越大，在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源。

由表1中的数据，计算对应的功率P和电阻R，得到P-R关系曲线如图5。对应于最大功率的负载电阻值Rmax和的内阻值Ri如表2。

图5 P-R曲线

表2 对应于最大功率的负载电阻值Rmax和内阻值Ri对照表

由图5和表2可以看出，在固定的光照强度下，太阳能电池的输出功率取决于负载电阻R。太阳能电池的输出功率在负载电阻为Rmax时达到一个最大功率Pmax，Rmax近似等于太阳能电池的内阻Ri。即负载电阻接近于太阳能电池的内阻时，输出功率最大。

由表1中的数据，计算出个最大功率Pmax，与开路电压与短路电流的乘积之比，得到太阳能电池的填充因数如表3。

表3 太阳能电池的填充因数

由太阳能电池的最大输出功率Pmax和入射光强计算得到的光电转换效率如表4。

表4 太阳能电池的光电转换效率

由此可得太阳能电池的光电转换效率η=17.7%。与实际的技术指标(16～20%)相符[12]。

5 应用设计

为了让学生了解太阳能电池的应用。我们为学生提供了应用设计模块，包括电容、LED、喇叭、风扇[13，14]，如图6。

图6 应用设计模块

设计要求：

1.根据太阳能电池的特性，用该仪器设计光功率计；

2.由提供的太阳能电池应用模块，用该仪器设计太阳能充电器；

3.由提供的太阳能电池应用模块，用该仪器设计太阳能LED灯；

4.由提供的太阳能电池应用模块，用该仪器设计太阳能喇叭；

5.由提供的太阳能电池应用模块，用该仪器设计太阳能风扇。

还可以扩展为设计太阳能温度计和太阳能温度报警器；也可以作为“电表的改装与校准”“自组电桥测电阻”实验的电源。该仪器已被国内10多所高校使用，对学生的训练效果显著，反馈效果良好。

6 结 语

最后给出了太阳能电池的应用设计方案和要求，引导学生进行思考，配合学生认识物理概念和规律，学会从实际出发实事求是地分析问题；把要观测的实验现象清楚地展示在学生面前，有助于学生由现象到本质，由表及里地全面认识问题，使学生充分认知并掌握理论知识及其应用，实现理论与实践互动。