太陽能電池特性的實驗研究與應用

陸世杰

(哈爾濱理工大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

太陽能電池，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能電池組件，再按需要將一塊以上的組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，即構成太陽能電池發電系統，也稱為光伏發電系統[1-3]。它具有不消耗常規能源、壽命長、維護簡單、使用方便、功率大小可任意組合、無噪音、無污染等優點[4-6]。目前，太陽能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(通信設備、氣象臺站、航標燈等)的重要電源[7,8]。

針對太陽能電池的特性進行系統的實驗研究,給出不同照度下太陽能電池的伏安特性、開路電壓U0和短路電流IS；在不同照度下，測定太陽能電池的輸出功率P和負載電阻R的函數關系；確定太陽能電池的最大輸出功率Pmax以及相應的負載電阻Rmax和填充因數；給出了太陽能電池應用的實驗方案，讓學生參與設計，調動學生的積極性，提高學生實驗的興趣，啟發創新思維[9-10]。

1 實驗原理

當光照射在距太陽能電池表面很近的PN結時，只要入射光子的能量大于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。產生的電子-空穴對在內電場的作用下分別移向N區和P區。導致在N區邊界附近有光生電子積累，在P區邊界附近有光生空穴積累。它們產生一個與PN結的內建電場方向相反的光生電場，在PN結上產生光生電動勢，其方向由P區指向N區。這一現象稱為光伏效應[11]。

圖1 太陽能電池的工作原理

太陽能電池的工作原理是基于光伏效應的。如圖1所示，當光照射太陽電池時，將產生一個由N區到P區的光生電流IS。同時，由于PN結二極管的特性，存在正向二極管電流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為兩個電流之差：

I=IS(Φ)-ID(U)

(1)

式中VD為結電壓，I0為PN結的反向飽和電流，N稱為理想系數(N值)，表示PN結特性的參數，通常在1～2之間，q為電子電荷，kB為波爾茲曼常數，T為溫度。

如果連接一個負載電阻R，電流I可以被認為是兩個電流之差，即取決于輻照度Φ的負方向電流IS，以及取決于端電壓U的正方向電流ID(U)。由此可以得到太陽能電池伏安特性的典型曲線(見圖2)。

當太陽能電池的輸出端短路時，可以得到短路電流，它等于光生電流IS。當太陽能電池的輸出端開路時，可以得到開路電壓U0。

在固定的光照強度下，光電池的輸出功率取決于負載電阻R。太陽能電池的輸出功率在負載電阻為Rmax時達到一個最大功率Pmax，Rmax近似等于太陽能電池的內阻Ri。

Ri=U0/IS

(2)

這個最大的功率比開路電壓和短路電流的乘積小(見圖2)，它們之比為

(3)

F稱為填充因數。

此外，太陽能電池的輸出功率

P=U·I

(4)

是負載電阻R的函數

R=U/I

(5)

太陽能電池的轉換效率η定義為太陽能電池的最大輸出功率與照射到太陽能電池的總輻射能之比，即

(6)

用幾個太陽能電池組合成一個太陽能電池。串聯會產生更大的開路電壓U0，而并聯會產生更大的短路電流IS。在實驗中，把2個太陽能電池串聯，分別記錄在四個不同的光照強度時電流和電壓特性。光照強度通過改變光源的距離和電源的功率來實現。

2 測量裝置

測量的實驗裝置主要由太陽能電池特性測試儀，亮度可調的光源，太陽能電池板，可變電阻組成。實驗裝置如圖3所示。

測試儀面板上同時顯示太陽能電池的輸出電壓、電流和入射光強。

3 實驗方法

把太陽能電池插到插件板上，用兩個橋接插頭把上邊的負極和下面的正極連接起來，串聯起2個太陽能電池；插上電位器作為一個可變電阻，然后用橋接插頭把它連接到太陽能電池上；連接電流表，使它和電池、可變電阻串聯；連接電壓表使之與電池并聯；連接光源與電源，使燈與電池成一線，以使電池均勻受光；接通電路，將可變電阻器阻值調為最小以實現短路，并改變光源的距離和調節電源輸出功率，使短路電流大約為45 mA，同時記錄入射光強；逐步改變負載電阻值，分別讀取電流和電壓值，記入表1中；斷開電路，測量并記錄開路電壓；調節電源功率，分別使短路電流約為35 mA，25 mA和15 mA，并重復上述測量。

表1 不同入射光強下太陽能電池的輸出電壓U和電流I數據(短路電流IS開路電壓U0)

4 實驗結果分析

由表1數據做出的I-U曲線如圖4。

圖4 不同入射光強下太陽能電池測量太陽能電池的I-U曲線

由圖4可以看出，入射的光強越大，太陽能電池輸出的電流越大，在負載電阻小的情況下，太陽能電池可以看成一個恒流源。在負載電阻大的情況下，太陽能電池相當于一個恒壓源。

由表1中的數據，計算對應的功率P和電阻R，得到P-R關系曲線如圖5。對應于最大功率的負載電阻值Rmax和的內阻值Ri如表2。

圖5 P-R曲線

表2 對應于最大功率的負載電阻值Rmax和內阻值Ri對照表

由圖5和表2可以看出，在固定的光照強度下，太陽能電池的輸出功率取決于負載電阻R。太陽能電池的輸出功率在負載電阻為Rmax時達到一個最大功率Pmax，Rmax近似等于太陽能電池的內阻Ri。即負載電阻接近于太陽能電池的內阻時，輸出功率最大。

由表1中的數據，計算出個最大功率Pmax，與開路電壓與短路電流的乘積之比，得到太陽能電池的填充因數如表3。

表3 太陽能電池的填充因數

由太陽能電池的最大輸出功率Pmax和入射光強計算得到的光電轉換效率如表4。

表4 太陽能電池的光電轉換效率

由此可得太陽能電池的光電轉換效率η=17.7%。與實際的技術指標(16～20%)相符[12]。

5 應用設計

為了讓學生了解太陽能電池的應用。我們為學生提供了應用設計模塊，包括電容、LED、喇叭、風扇[13，14]，如圖6。

圖6 應用設計模塊

設計要求：

1.根據太陽能電池的特性，用該儀器設計光功率計；

2.由提供的太陽能電池應用模塊，用該儀器設計太陽能充電器；

3.由提供的太陽能電池應用模塊，用該儀器設計太陽能LED燈；

4.由提供的太陽能電池應用模塊，用該儀器設計太陽能喇叭；

5.由提供的太陽能電池應用模塊，用該儀器設計太陽能風扇。

還可以擴展為設計太陽能溫度計和太陽能溫度報警器；也可以作為“電表的改裝與校準”“自組電橋測電阻”實驗的電源。該儀器已被國內10多所高校使用，對學生的訓練效果顯著，反饋效果良好。

6 結 語

最后給出了太陽能電池的應用設計方案和要求，引導學生進行思考，配合學生認識物理概念和規律，學會從實際出發實事求是地分析問題；把要觀測的實驗現象清楚地展示在學生面前，有助于學生由現象到本質，由表及里地全面認識問題，使學生充分認知并掌握理論知識及其應用，實現理論與實踐互動。