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