實驗 太陽電池伏-安特性的測量
太陽電池(solar cells)，也稱為光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉換為電能的器件．由
這種器件封裝成太陽電池元件，再按需要將一塊以上的元件組合成一定功率的太陽電池方
陣，經與儲能裝置、測量控制裝置及直流-交流變換裝置等相配套，即構成太陽電池發電系
統，也稱為之光伏發電系統．它具有不消耗常規能源、無轉動部件、壽命長、維護簡單、
使用方便、功率大小可任意組合、無噪音、無汙染等優點．世界上第一塊實用型半導體太
陽電池是美國貝爾實驗室於1954 年研製的．經過人們40 多年的努力，太陽電池的研究、
開發與產業化已取得巨大進步．目前，太陽電池已成為空間衛星的基本電源和地面無電、
少電地區及某些特殊領域(通訊裝置、氣象台站、航標燈等)的重要電源．隨著太陽電池
製造成本的不斷降低，太陽能光伏發電將逐步地部分替代常規發電．近年來，在美國和日
本等發達國家，太陽能光伏發電已進入城市電網．從地球上化石燃料資源的漸趨耗竭和大
量使用化石燃料必將使人類生態環境汙染日趨嚴重的戰略觀點出發，世界各國特別是發達
國家對於太陽能光伏發電技術十分重視，將其擺在可再生能源開發利用的首位．因此，太
陽能光伏發電有望成為21 世紀的重要新能源．有專家預言，在21 世紀中葉，太陽能光伏
發電將佔世界總發電量的15% ~ 20%，成為人類的基礎能源之一，在世界能源構成中占有
一定的地位．
【實驗目的】
1．了解太陽電池的工作原理及其應用；
2．測量太陽電池的伏–安特性曲線．
【實驗原理】
1．太陽電池的結構
以晶體矽太陽電池為例，其結構示意圖如圖1 所示．晶體矽太陽電池以矽半導體材料制
成大面積pn 結進行工作．一般採用n+/p同質結的結構，即在約10 cm×10cm面積的p型矽片(厚度約500 μm)上用擴散法制作出一層很薄(厚度~0.3μm)的經過重摻雜的n 型層．然後在n型層上面製作金屬柵線，作為正面接觸電極．在整個背面也製作金屬膜，作為背面歐姆接觸電極．這樣就形成了晶體矽太陽電池．為了減少光的反射損失，一般在整個表面上再覆蓋一層減反射膜．
當光照射在距太陽電池表面很近的pn 結時，只要入射光子的能量大於半導體材料的禁帶寬度eg ，則在p 區、n 區和結區光子被吸收會產生電子–空穴對．那些在結附近n 區中
產生的少數載流子由於存在濃度梯度而要擴散．只要少數載流子離pn結的距離小於它的擴
散長度，總有一定機率擴散到結介面處．在p 區與n 區交介面的兩側即結區，存在一空間
電荷區，也稱為耗盡區．在耗盡區中，正負電荷間形成一電場，電場方向由n 區指向p區，
這個電場稱為內建電場．這些擴散到結介面處的少數載流子(空穴)在內建電場的作用下
被拉向p 區．同樣，如果在結附近p 區中產生的少數載流子(電子)擴散到結介面處，也
會被內建電場迅速被拉向n區．結區內產生的電子–空穴對在內建電場的作用下分別移向n
區和p區．如果外電路處於開路狀態，那麼這些光生電子和空穴積累在pn結附近，使p 區
獲得附加正電荷，n區獲得附加負電荷，這樣在pn結上產生乙個光生電動勢．這一現象稱
為光伏效應(photovoltaic effect, 縮寫為pv)．
3．太陽電池的表徵引數
太陽電池的工作原理是基於光伏效應．當光照射太陽電池時，將產生乙個由n 區到p 區的
光生電流iph．同時，由於pn 結二極體的特性，存在正向二極體電流id，此電流方向從p
區到n區，與光生電流相反．因此，實際獲得的電流i 為
其比例係數是由太陽電池的結構和材料的特性決定的．n 稱為理想係數(n值)，是表示pn
結特性的引數，通常在1~2之間．q為電子電荷，kb為波爾茨曼常數，t為溫度．
如果忽略太陽電池的串聯電阻rs，vd即為太陽電池的端電壓v，則(1)式可寫為
當太陽電池的輸出端短路時，v = 0(vd ≈ 0)，由(2)式可得到短路電流
即太陽電池的短路電流等於光生電流，與入射光的強度成正比．當太陽電池的輸出端開路
時，i = 0，由(2)和(3)式可得到開路電壓
當太陽電池接上負載r 時，所得的負載伏–安特性曲線如圖2 所示．負載r 可以從零
到無窮大．當負載rm使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應的最大功率pm為
式中im 和vm分別為最佳工作電流和最佳工作電壓．將voc與isc的乘積與最大功率pm之
比定義為填充因子ff，則
ff為太陽電池的重要表徵引數，ff愈大則輸出的功率愈高．ff取決於入射光強、材料的
禁帶寬度、理想係數、串聯電阻和併聯電阻等．太陽電池的轉換效率h 定義為太陽電池的最大輸出功率與照射到太陽電池的總輻射能pin 之比，即
4．太陽電池的等效電路
太陽電池可用pn 結二極體d、恆流源iph、太陽電池的電極等引起的串聯電阻rs和相當於pn 結
洩漏電流的併聯電阻rsh組成的電路來表示，如圖3 所示，該電路為太陽電池的等效電路．由
等效電路圖可以得出太陽電池兩端的電流和電壓的關係為
為了使太陽電池輸出更大的功率，必須盡量減小串聯電阻rs，增大併聯電阻rsh．
【實驗儀器】
1．太陽能光伏元件，功率為5瓦．
2．輻射光源，300 瓦滷鎢燈．
3．數字萬用表，2 個．
4．，可變電阻2 個，接線板．
【實驗內容】
圖3 太陽電池的等效電路
1．將太陽能光伏元件，數字萬用表，負載電阻通過接線板連線成迴路，改變負載電阻r，測量流經負載的電流i和負載上的電壓 v，即可得到該光伏元件的伏–安特性曲線．測量過程中輻射光源與光伏元件的距離要保持不變，以保證整個測量過程是在相同光照強度下進行的．
2．分別測量以下幾種條件下光伏元件的伏安特性曲線：
(1)輻射光源與光伏元件地距離為60 cm；
(2)輻射光源與光伏元件地距離為80 cm；
(3)輻射光源與光伏元件地距離為80 cm，將兩組光伏元件串聯；
(4)輻射光源與光伏元件地距離為80 cm；，將兩組光伏元件併聯．
3．用座標紙或計算機繪圖軟體畫出不同條件下：
(1)光伏元件的伏–安特性曲線；(2)光伏元件的輸出功率p隨負載電壓 v 的變化；
(3)光伏元件的輸出功率p 隨負載電阻r 的變化．確定不同條件下光伏元件的短路電流isc，開路壓voc，最大功率pm，最佳工作電流im、工作電壓vm及負載電阻rm，填充因子ff，並將這些實驗資料列在一**內進行比較．
【注意事項】
1．輻射光源的溫度較高，應避免與燈罩接觸．
2．輻射光源的供電電壓為220v，應小心觸電．
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