太阳能实验报告 | Divisionlin’s Blog

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1. 实验目的

太阳能电池的暗伏安特性测量

测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系

测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系

太阳能电池的输出特性测量

2. 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。

在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。

负载电阻为零时测得的最大电流称为短路电流。负载断开时测得的最大电压称为开路电压。

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。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。

输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率为入射到太阳能电池表面的光功率。转换效率定义为：

理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加，如图3所示。

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。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做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。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。

3. 实验内容与步骤

3.1 硅太阳能电池的暗伏安特性测量

暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。

本实验提供的组件是将若干单元并联。要求测试并画出单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。测试原理图如图6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后串连进电路起保护作用，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。将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.3V记一次电流值；将电压输入调到0V。然后将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据于表1中。

3.2 开路电压、短路电流与光强关系测量

打开光源开关，预热5分钟。

打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强I，将测量到的光强记入表2。

将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图7A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值于表2中。

按图5-B接线，记录短路电流值于表2中。

将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。

将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复测量步骤，并记录数据。

3.3 太阳能电池输出特性实验

按图6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和电流I,并计算输出功率PO=V×I，填于表3中。

4. 实验数据记录与数据分析

4.1 硅太阳能电池的暗伏安特性

表1 3种太阳能电池的暗伏安特性测量

电压（V）	电流(mA)	电流(mA)	电流(mA)
ㅤ	单晶硅	多晶硅	非晶硅
max	-8.53/-0.141	-8.53/-0.184	-8.41/-2.5
-8	-0.131	-0.171	-2.3
-7	-0.114	-0.145	-2
-6	-0.096	-0.121	-1.609
-5	-0.08	-0.099	-1.07
-4	-0.064	-0.078	-0.798
-3	-0.048	-0.058	-0.546
-2	-0.033	-0.039	-0.337
-1	-0.018	-0.021	-0.155
0	0	0	0
0.3	0.009	0.011	0.035
0.6	0.023	0.033	0.070
0.9	0.054	0.080	0.110
1.2	0.144	0.174	0.155
1.5	0.410	0.382	0.204
1.8	1.124	0.908	0.263
2.1	3.0	2.4	0.335
2.4	7.9	6.6	0.438
2.7	21.8	21.2	0.723
3	69.6	75.3	2.3

实验1数据处理要求：

以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。

讨论太阳能电池的暗伏安特性与一般二级管的伏安特性有何异同。

相似点

非线性特性：两者在正向偏置时，电流随电压呈指数增长；在反向偏置时，电流很小。

二极管模型：太阳能电池在暗态下可用二极管模型来描述。

不同点

饱和电流：太阳能电池的饱和电流更大，因其PN结面积较大。

反向漏电流：太阳能电池的反向漏电流通常大于二极管。

理想因子：太阳能电池的理想因子通常大于1，而普通二极管接近1。

串联和并联电阻：太阳能电池的伏安特性受串联电阻和并联电阻影响较大，而二极管影响较小。

工作条件：太阳能电池主要用于光照下的能量转换，而二极管常用于开关和整流。

4.2 开路电压、短路电流与光强关系

表2 3种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系

ㅤ	距离（）	15	20	25	30	35	40	45	50
ㅤ	光强	576	312	195	135	98	75	61	50
单晶硅	开路电压VOC（V）	2.88	2.76	2.65	2.54	2.45	2.37	2.30	2.23
ㅤ	短路电流ISC（mA）	73.9	39.6	24.9	17.1	12.6	9.8	7.8	6.5
多晶硅	开路电压VOC（V）	2.89	2.76	2.65	2.56	2.49	2.42	2.36	2.31
ㅤ	短路电流ISC（mA）	75.0	39.9	25.1	17.3	12.7	9.8	7.7	6.4
非晶硅	开路电压VOC（V）	3.01	2.93	2.85	2.78	2.72	2.65	2.58	2.51
ㅤ	短路电流ISC（mA）	8.3	4.6	2.9	2.0	1.4	1.1	0.9	0.7

数据处理要求：

根据表2数据，画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线。

根据表2数据，画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。

根据所绘曲线，描述开路电压、短路电流随光强变化的关系。

开路电压 () 与光强变化的关系

对于三种不同类型的太阳能电池（单晶硅、多晶硅、非晶硅），开路电压随着光强的增加而逐渐上升。

单晶硅和多晶硅：开路电压随着光强的增加呈现逐步上升的趋势，但上升速度逐渐减缓，表现出非线性增长。在高光强下，开路电压趋向饱和。

非晶硅：开路电压相对较高，且在较低的光强下迅速上升，但增幅较小并趋于平稳，说明它在低光强下更有效。

短路电流 () 与光强变化的关系

短路电流与光强呈现出近似线性关系，随着光强的增加，短路电流几乎呈直线增长。

单晶硅和多晶硅：两者的短路电流几乎重合，说明在光强增加时，它们的短路电流变化特性相似，且增幅较大。

非晶硅：短路电流相对较小，且增幅不如单晶硅和多晶硅，但仍随光强的增加而增大。

4.3 太阳能电池输出特性实验

表3 3种太阳能电池输出特性实验光强I= 98.0 W/m2

单晶硅	输出电压V(V)	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2	2.2	2.4	2.44	…
ㅤ	输出电流I(mA)	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5	12.5	12.4	12	11.5	10	7.1	1.7	0.024	…
ㅤ	接入阻值（Ω）	0	15.3	31.4	47.5	63.7	79.5	95.4	112.5	133.2	156.4	199.7	308.7	1405.5	99999	…
ㅤ	输出功率PO(W)	0	2.5	5	7.5	10	12.5	15	17.36	19.2	20.7	20	15.62	4.08	0.05856	…
多晶硅	输出电压V(V)	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2	2.2	2.4	2.49	…
ㅤ	输出电流I(mA)	12.9	12.9	12.9	12.7	12.7	12.6	12.6	12.6	12.2	11.6	10.6	8.5	3.6	0.024	…
ㅤ	接入阻值（Ω）	0	14.9	30.8	46.6	62.4	78.5	94.4	110.9	130.6	154.9	187.8	259.1	666.6	99666.6	…
ㅤ	输出功率PO(W)	0	2.58	5.16	7.62	10.16	12.6	15.12	17.64	19.52	20.88	21.2	18.7	8.64	0.05976	…
非晶硅	输出电压V(V)	0	0.2	0.4	0.6	0.8	1	1.2	1.4	1.6	1.8	2	2.2	2.4	2.6	2.73
ㅤ	输出电流I(mA)	1.421	1.402	1.37	1.335	1.288	1.252	1.215	1.156	1.11	1.038	0.979	0.882	0.746	0.455	0.027
ㅤ	接入阻值（Ω）	0	132.2	297.7	454.7	625.4	807	980.2	1201.3	1421.3	1713.5	2022.5	2494.8	3188.5	5697.5	99999.9
ㅤ	输出功率PO(W)	0	0.2804	0.548	0.801	1.0304	1.252	1.458	1.6184	1.776	1.8684	1.958	1.9404	1.7904	1.183	0.07371

数据处理要求：

根据表3数据作3种太阳能电池的输出伏安特性曲线（电压-电流图）及功率曲线（电压-功率图）；

找出最大功率点，对应的电阻值即为最佳匹配负载。

单晶硅：

最大功率电压 : 1.8 V

最大功率电流 : 11.5 mA

最大功率 : 20.7 mW

最佳匹配负载电阻 : 156.4 Ω

多晶硅：

最大功率电压 : 2.0 V

最大功率电流 : 10.6 mA

最大功率 : 21.2 mW

最佳匹配负载电阻 : 187.8 Ω

非晶硅：

最大功率电压 : 2.0 V

最大功率电流 : 0.979 mA

最大功率 : 1.958 mW

最佳匹配负载电阻 : 2022.5 Ω

由（1）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率=I×S，I为入射到太阳能电池板表面的光强，S为太阳能电池板面积（约为50mm×50mm）。

光照强度

单晶硅：

最大功率 Pmax = 20.7 mW = 0.0207W

效率η = Pmax/Pin = 0.0207/0.245 *100% = 8.45%

多晶硅：

最大功率 Pmax = 21.2 mW = 0.0212W

效率η = Pmax/Pin = 0.0212/0.245 *100% = 8.65%

非晶硅：

最大功率 Pmax : 1.958 mW = 0.001958W

效率η = Pmax/Pin = 0.001958/0.245 *100% = 0.799%

5. 实验结论

单晶硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池在转换效率和性能方面表现优异，实验中测得的最大功率为20.7mW，效率达到了8.45%。单晶硅太阳能电池的短路电流（）和开路电压（）随着光强的增加呈现显著的增长趋势，尤其在较高光强下表现出稳定的输出。这表明单晶硅电池在强光条件下更具效率，适合用于高光照环境。因其生产成本相对较高，限制了其在大规模应用中的普及。

多晶硅太阳能电池：相比单晶硅，多晶硅太阳能电池的转换效率略低，实验中测得最大功率为21.2mW，效率为8.65%。多晶硅电池的开路电压和短路电流与单晶硅电池相似，但在更高的光强条件下，其性能略逊于单晶硅。多晶硅电池的主要优势在于生产成本较低，因此更具市场竞争力，适合用于大规模应用。综合考虑其性能和成本，多晶硅可能在未来的太阳能市场中占据重要地位。

非晶硅太阳能电池：非晶硅太阳能电池在低光强条件下表现较好，特别是在低光照强度下开路电压迅速上升。然而，其整体转换效率较低，实验中测得最大功率为1.958mW，效率仅为0.799%。尽管非晶硅电池具有成本低、重量轻的特点，但其稳定性较差，且随着时间的推移，效率可能会下降。因此，非晶硅电池在实际应用中更适合于小型设备和低功率需求的场景。

本实验通过测量单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的暗伏安特性、开路电压与短路电流的变化以及输出特性，深入分析了三种电池在不同光强下的性能表现。单晶硅电池在高光强下表现优异，但成本较高；多晶硅电池在成本和效率之间取得了良好平衡；非晶硅电池在低光强下有较好表现，但整体效率偏低。

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