11021023 刘寒颖 探究太阳能电池输出特性及影响功率因素

基础物理实验研究性报告

探究太阳能电池输出特性及影响功率因素

第一作者姓名刘寒颖 第一作者学号 11021023 第二作者姓名 程功凡 第二作者学号 1102117 所在院系 电子信息工程学院

2013年5月

一、 摘要

能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。

本文将测量太阳能电池的输出特性，描绘输出特性曲线图，并在此基础上，探究入射距离和入射角度对两种太阳能电池输出功率的影响。探究方法是控制变量法，改变影响因素得到因变量，绘制曲线图，由曲线走势分析影响。本文最后还将对本次研究性实验进行讨论，包括对实验误差的分析、实验改进建议以及实验感想等。

二、 实验要求

1、光照条件下太阳能电池的输出特性测量 2、入射距离与太阳能电池输出功率的关系 3、入射角度与太阳能电池输出功率的关系

三、 实验原理

太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图1为P-N结示意图。

P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。

N 势垒电场方向 空间电荷区 P 图1 半导体P-N结示意图 N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N

区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，

又称为结区或耗尽区。

当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子－空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。

负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。

负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压。

太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。

输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。 填充因子F.F定义为：

F?F?PmaxVoc?Isc

填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF值在0.75~0.8之间。

转换效率ηs定义为：

?s(%)?Pmax?100%Pin

Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。本实验用单晶硅和非晶硅。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜作为单晶硅太阳能电池的替代产品。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。

四、 实验仪器

太阳能电池基本特性测量实验装置如图2所示，实验仪如图3所示。

图2 太阳能电池实验装置

图3 太阳能电池特性实验仪

五、 实验步骤

1、实验一：测量太阳能电池输出特性

图4 太阳能电池特性测量

按图4接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V（按照每隔0.2V左右的间隔）和电流I。

2、实验二：探究入射距离对太阳能电池输出功率的影响

安装好单晶硅太阳能电池板的位置，由近及远（从10cm到50cm）移动滑动支架，测量距光源一定距离（每隔5cm）的数据：

图5 测量电压、电流

按图5A接线，按测量光强时的距离值，记录开路电压值。按图5B接线，记录短路电流值。

将单晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。

3、实验三：探究入射角度对太阳能电池输出功率的影响

将单晶硅太阳能电池板的位置安装在距离光源一定距离处并固定，让太阳能板正面从0度到90度依次转角度，同实验二的方法测量开路电压值和短路电流值。

将单晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。

六、 数据处理与处理

实验一：测量太阳能电池输出特性 单晶硅：

电压/V 电流/mA 功率/V*mA 1.9 15.6 29.64 0.2 16.1 3.22 2 15.2 30.4 0.361 16.1 5.8121 2.22 13.7 30.414 0.514 15.9 0.674 15.9 0.833 15.8 0.985 15.8 1.304 15.8 1.612 15.8 8.1726 10.7166 13.1614 2.44 9.7 23.668 表1 2.57 4 10.28 2.59 2.7 6.993 15.563 20.6032 25.4696 非晶硅：

电压/V 电流/mA 0.21 2.4 0.43 2.3 0.64 2.3 0.83 2.2 1 2.1 1.29 1.9 1.5 1.7 1.76 1.5

功率/V*mA 2.12 1 2.12 0.504 0.989 1.472 1.826 2.1 2.451 2.55 2.64 2.3 2.41 0.6 0.262 1.38 0.63142 表2 单晶硅和非晶硅的输出特性曲线如下：

35302520151050I单P单I非P非 图6

分析：由图6，在光照条件下，由图可以看出，在相同开路电压下，单晶硅太阳能电池的短路电流远大于非晶硅太阳能电池的短路电流，总的趋势都是一开始很平缓，到某一点后就往下降；单晶硅太阳能电池的输出功率大于非晶硅太阳能电池的输出功率，总的趋势是先增后减，亦即存在最大输出功率。

经估计，P单max = 30.414*10-3 W，对应电压2.22V，电流13.7mA； P非max = 2.64*10-3 W，对应电压1.76V，电流1.5mA 填充因子：F*F单 = 0.719； F*F非 = 0.436 转换效率：

?s(%)单?49%；?s(%)非?4.3%

实验二：探究入射距离对太阳能电池输出功率的影响 单晶硅：

距离/cm 电压/V 电流/mA 10 2.86 161.2 15 2.68 72.3 20 2.58 38.9 25 2.5 24.1 功率/V*mA 30 2.44 16.5 40.26 461.032 193.764 100.362 35 2.4 12.1 29.04 40 2.36 9.3 21.948 表3 45 2.31 7.5 17.325 60.25 50 2.28 6.2 14.136 非晶硅：

距离/cm 电压/V 电流/mA 功率/V*mA 30 2.44 2.6 6.344 10 3.06 25.9 79.254 35 2.27 1.843 4.18361 15 2.88 11.2 32.256 20 2.74 6 16.44 25 2.59 3.7 9.583 50 1.75 0.932 1.631 40 45 2.08 1.91 1.435 1.168 2.9848 2.23088 表4

3.532.521.510.50101520253035404550U单U非图7 分析：由图7，随着入射距离的增加，两种太阳能电池的开路电压都几乎已线性规律下降，而且非晶硅下降的更快。

180160140120100806040200101520253035404550I单I非 图8

分析：由图8，在不同距离，单晶硅太阳能电池的短路电流都比非晶硅太阳能电池的短路电流大。随着入射距离的增加，两种太阳能电池的短路电流都近乎以指数规律下降，且单晶硅短路电流下降得快。

500450400350300250200150100500101520253035404550P单P非 图9

分析：由图9，在不同距离，单晶硅太阳能电池的输出功率都比非晶硅太阳能电池的输出功率大。随着入射距离的增加，两种太阳能电池的输出功率都近乎以指数规律下降，且单晶硅输出功率下降得快。

实验三：探究入射角度对太阳能电池输出功率的影响 单晶硅：

角度 电压/V 电流/mA 功率/V*mA 40 2.55 10 25.5 90 2.69 20.1 54.069 30 2.5 5.4 13.5 80 2.68 19.5 52.26 70 2.67 18.3 48.861 60 2.64 16.7 44.088 50 2.6 14 36.4 20 10 0 2.34 2.24 1.93 3.8 0.992 0.412 8.892 2.22208 0.79516 表5 非晶硅：

角度 电压/V 电流/mA 功率/V*mA 40 1.7 2.25 3.825 90 2.7 2.54 6.858 30 1.3 2.04 2.652 80 2.6 2.52 6.552 70 2.5 2.49 6.225 60 2.2 2.43 5.346 0 0.119 0.3 0.0357 50 2.1 2.36 4.956 20 10 0.85 0.395 1.56 0.75 1.326 0.29625 表6

32.521.510.509080706050403020100U单U非图10 分析：由图10，同一入射角度下，单晶硅太阳能电池的开路电压比非晶硅太阳能电池的开路电压大。随着入射角度的减小，开路电压也将减小。这种减小分为两个阶段：慢降和快降。对于单晶硅，入射角度大于35度时，变化较慢；入射角度小于35度时，变化较

快。对于非晶硅，入射角度大于55度时，变化较慢；入射角度小于55度时，变化较快。

252015I单10509080706050403020100I非 图11

分析：由图11，同一入射角度下，单晶硅太阳能电池的短路电流比非晶硅太阳能电池的短路电流大。随着入射角度的增大，两种太阳能电池的短路电流都减小。对于单晶硅，短路电流减小得越来越快；对于非晶硅，短路电流的减小比较平缓。

60504030201009080706050403020100P单P非图12

分析：由图12，同一入射角度下，单晶硅太阳能电池的输出功率比非晶硅太阳能电池的输出功率大。随着入射角度的增大，两种太阳能电池的输出功率都减小。对于单晶硅，输出功率减小得越来越快；对于非晶硅，输出功率的减小比较平缓。

七、 讨论

1、误差分析

（1）入射距离的测量误差。由于视差关系，太阳能板的位置不一定准确落在标尺上的相应位置。但由于误差较小，可以忽略。

（2）入射角度的测量误差。因为一起上没有给出测量角度用的工具，实验时必须携带自己的量角器，沿着标尺的直线作为0度基准，然后依次转动相应度数。由于视差以及没有工具固定量角器造成手抖等原因，入射角度的误差较大。

（3）实验时，教室的灯光产生的光强会对实验造成影响。最明显的就是当入射角度为0度（当然无法绝对）的时候，太阳能板还能检测到光强，于是仍能测得电压和电流。这样的话，在其他角度测量到的值就应该加上0度时所测得的值，达到修正目的。或者直接关掉教室灯光进行试验。

（4）测量电压电流的实验仪的读数误差。当测量量较小的时候应该用小量程测比较准确。 2、改进建议

针对造成误差的主要原因，本人提出两点改进建议：建议在导轨上增加测量角度（或者便于测量角度）的工具；建议关闭日光灯、拉紧窗帘进行实验。 3、体会和建议

通过此次研究性实验，在与同学共同制定研究课题、一块完成实验以及共同讨论误差来源的过程中，很好地锻炼了我们的思维能力和动手能力，培养了我们的合作精神和解决问题的能力。我认为这种相对没有时间限制的研究性比一般的物理实验让我们体验和收获的更多而且更加难忘。同时在这里要感谢郑明老师在我们实验的过程中提出的建议和帮助，也希望物理实验的老师们都能在同学们遇到困难的时候伸出援手。

八、 结束语

本文通过实验测量了单晶硅和非晶硅两种太阳能电池的输出特性曲线，并探究了入射距离和入射角度对太阳能电池输出功率的影响，包括大小和增减的快慢。

九、 参考文献

无

七、 讨论

1、误差分析

（1）入射距离的测量误差。由于视差关系，太阳能板的位置不一定准确落在标尺上的相应位置。但由于误差较小，可以忽略。

（2）入射角度的测量误差。因为一起上没有给出测量角度用的工具，实验时必须携带自己的量角器，沿着标尺的直线作为0度基准，然后依次转动相应度数。由于视差以及没有工具固定量角器造成手抖等原因，入射角度的误差较大。

（3）实验时，教室的灯光产生的光强会对实验造成影响。最明显的就是当入射角度为0度（当然无法绝对）的时候，太阳能板还能检测到光强，于是仍能测得电压和电流。这样的话，在其他角度测量到的值就应该加上0度时所测得的值，达到修正目的。或者直接关掉教室灯光进行试验。

（4）测量电压电流的实验仪的读数误差。当测量量较小的时候应该用小量程测比较准确。 2、改进建议

针对造成误差的主要原因，本人提出两点改进建议：建议在导轨上增加测量角度（或者便于测量角度）的工具；建议关闭日光灯、拉紧窗帘进行实验。 3、体会和建议

通过此次研究性实验，在与同学共同制定研究课题、一块完成实验以及共同讨论误差来源的过程中，很好地锻炼了我们的思维能力和动手能力，培养了我们的合作精神和解决问题的能力。我认为这种相对没有时间限制的研究性比一般的物理实验让我们体验和收获的更多而且更加难忘。同时在这里要感谢郑明老师在我们实验的过程中提出的建议和帮助，也希望物理实验的老师们都能在同学们遇到困难的时候伸出援手。

八、 结束语

本文通过实验测量了单晶硅和非晶硅两种太阳能电池的输出特性曲线，并探究了入射距离和入射角度对太阳能电池输出功率的影响，包括大小和增减的快慢。

九、 参考文献

无

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/urn6.html