基于Simulink的太阳能光伏电池的建模及输出特性仿真研究_郑意

第３２卷　第１期２０１３年２月兰州交通大学学报

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１

Ｆｅｂ．２０１３

文章编号：１００１－４３７３（２０１３）０１－００９７－０４ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－４３７３．２０１３．０１．０２２

基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的太阳能光伏电池的建模及

输出特性仿真研究＊

郑　意，　赵志刚，　苟向锋

（兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州　７３００７０）

摘　要：介绍了太阳能光伏电池的工作原理，根据光伏电池的输出特性建立了数学模型，并依据数学模型在Ｍａｔ－ｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立了光伏电池阵列的仿真模型．通过该模型来模拟不同温度和光照强度条件下光伏电池的Ｉ－Ｕ特性曲线，其中光伏电池的仿真参数按照１２５×１２５刚性光伏电池片设置．

关键词：光伏电池；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；输出特性

中图分类号：ＴＰ３９１．９ 文献标志码：Ａ

随着世界经济的快速发展，对于能源的需求越来越大．目前世界各国大多仍然以石油、天然气和煤炭等原料作为主要能源，这必将导致能源的日益枯竭与环境污染的日益突出，因此能源的充分利用与环境保护已成为２１世纪人类面临的两项重大难题．目前，包括太阳能、风能、水能、海洋能、地热能等在内的可再生能源的发展与应用得到广泛的关注，但是与化石燃料相比，可再生能源具有能量密度低；随着季节、昼夜与气候条件的变化而变化；难于运输等特点，因此要用可再生能源取代化石能源则需解决一系列的科学技术和经济性的问题．而太阳能作为广泛分布的“清洁能源”，有较好的应用前景．目前太阳能利用的基本方式有三种：太阳能热利用、太阳能热发电和太阳能光伏发电．而光伏电池作为太阳能光伏发电的核心部分，其输出特性具有显著的非线性，其光电转换效率迄今为止仍然很低，这些因素都说明对光伏电池输出特性的研究是该行业的一个重要课题［１－３］．本文在了解了光伏电池原理的基础上，根据实验需要，建立了一组光伏阵列的数学模型，并在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立其仿真模型，得到了光伏电池在不同光照强度和温度下的输出特性曲线，并对仿真结果进行了分析，为后续做最大功率点追踪电路设计奠定了一定基础．

１　光伏电池的原理

太阳能光伏电池发电的原理主要是半导体的光电效应，即利用光电材料受到光照射后发生光电效应，从而实现能量转换．当太阳光照射到光伏电池上时，电池吸收光能，产生光电子和光生空穴对，在电池内电场的作用下，光生电子和光生空穴对被分离，光生电子被推向半导体的Ｎ区，光生空穴被推向半导体Ｐ区，如此便在Ｐ－Ｎ结两侧形成了正负电荷的积累，产生了光生电动势，这就是“光电效应”．能产生光电效应的半导体材料有很多种，如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等，这些半导体材料的光电转化原理基本相同．以硅基半导体做成的光伏电池为例：在其内电场的两侧引出导线并接上负载，则电路中就会有电流流过，该电流称为“光生电流”．“光生电流”从半导体的Ｐ区经负载流至Ｎ区，负载即得到功率输出，这样就完成了将光能转换为电能．其原理图如图１所示［４］．

I

R S

R

R SH

I D

I PH

图１　光伏电池原理图

Ｆｉｇ．１　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ

＊收稿日期：２０１２－０６－１０

作者简介：郑　意（１９８８－），男，甘肃白银人，硕士生，主要研究方向为光伏－蓄电池联合供电．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｅｎｇｙｉ０４５７＠１６３．ｃｏｍ

兰州交通大学学报

第３２卷

图１中ＩＰＨ为光生电流，当光源恒定时可以将太阳能电池看成是一理想的、能稳定产生光电流ＩＰＨ的恒流源；ＩＤ为半导体Ｐ－Ｎ结的结电流．ＲＳ为半导体材料内部电阻和电极电阻构成的串联电阻，通常小于１Ω；ＲＳＨ为由于半导体材料边缘不清洁或内部固有缺陷造成的电阻，一般约为几千欧姆．依据其原理图，

流过负载Ｒ的电流为Ｉ＝ＩＰＨ－ＩＤ－ＩＳＨ

（１）而Ｐ－Ｎ结中电流和电压满足关系如下：

ＩＤ＝Ｉ０（

ｅｑＵＩ／ＡＫＴ－１）（２）式中：ｑ为电子电荷，１．６×１０－１９　

Ｃ；Ａ为Ｐ－Ｎ结理想因子；Ｋ为波皮兹曼常数，１．３８×１０

－２３　

Ｊ／Ｋ；Ｔ为绝对温度；Ｉ０为Ｐ－Ｎ结的反向饱和电流，当Ｐ－Ｎ结制成后该值为一个与温度有关的系数；ＵＩ为结电压，稳定状态下其值为负载电压．

ＩＳＨ＝

ＵＩＲＳＨ＝ＵＲ＋ＩＲＳ

ＲＳＨ

（３

）式中：ＵＲ为负载两端电压．

由式（１）、式（２）、式（３

）可得：Ｉ＝ＩＰＨ－Ｉ０［

ｅｑ（

ＵＲ＋ＩＲＳ）ＡＫＴ

－１］－ＵＲ＋ＩＲＳＲＳＨ

（４）由于ＲＳＨ非常大，导致电流ＩＳＨ非常小，

因此为了简化模型，通常忽略ＩＳＨ［５］

，简化上述模型，最终得到单体光伏电池输出特性方程如下：

Ｉ＝ＩＰＨ－Ｉ０［

ｅｑ（

ＵＲ＋ＩＲＳ）－１］（５

）２　光伏电池阵列

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，其输出远低于实际所需的电压和功率，因此需要将若干个单体太阳能电池经过串并联组成一个新的单元，这个单元称之为光伏电池组件．光伏电池组件再经过串并联后就得到了光伏阵列．

实验采用了１２５ｍｍ×１２５ｍｍ刚性太阳能电池组件，切割为４片，每片宽度为３０ｍｍ，并将其以２２片串联为一组，

再并联４组构成光伏电池组件，将构成的光伏电池组件再串联１５组构成光伏电池阵列．将该阵列再以２组并联即得到实验要求的光伏电池阵列模型，其整体布置图如图２所示．

实验中为了提高光伏电池阵列的可靠度，可通

过串并联一些二极管来实现［４］．

图２中１号二极管为隔离二极管，

其作用是为了防止当某一条支路发生故障时，其它支路的电流流向发生故障的支路，影响其他支路的正常输出．２号二极管称为旁路二极管，其作用是当某个组件发生故障时，不阻碍其他组件

1

2

3

15组

图２　光伏阵列布置Ｆｉｇ．２　ＰＶ　ａｒｒａｙ　

ｌａｙｏｕｔ的正常工作．３号二极管称为阻塞二极管，其作用是为了防止当光照不足时外部蓄电池中的电流倒流回光伏电池，使光伏组件发热，温度升高，影响其转换效率，同时浪费蓄电池中存储的能量．

如图２所示，光伏电池通过串联来提高其输出电压，通过并联来增大其输出电流．据此，依据式（５）得到光伏阵列的输出特性方程如下：Ｉ＝ｍＩＰＨ－ｍＩ０［

ｅｑ（

ＵＲ＋ＩＲＳ）ｎＡＫＴ－１］（６

）式中：ｍ为并联组数；ｎ为串联个数．

３　仿真参数的求解

３．１　常量参数

为了便于建模，可将上述模型等效为３３０片切割后光伏电池片串联，再并联这样的８组，所以式（６）中ｍ＝８，ｎ＝３３０．在该仿真模型中常量参数如表１所示．

表１　光伏电池的仿真参数

Ｔａｂ．１　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ参数名称

数值单位ＩＳＣ１．２９６±５％ＡＶＭＰＰ０．５０２ＶＩＭＰＰ１．１８４Ａ

ＫＩ０．００２　４Ａ／ＫＲＳ０．５１４　

２ΩＡ　１

Ｋ　１．３８×１０－２３　

Ｊ／Ｋｑ　

１．６×１０

－１９　Ｃ

ｍ　８ｎ　

３３０

３．２　变量参数的求解

在式（６）中未知的量有ＩＰＨ、Ｉ０、ＲＳ，其中ＩＰＨ、Ｉ０随输入光照和温度变化而变化，ＲＳ是光伏电池本身

固有的特性，现给出３个未知量的求解公式如下［

６］

：８９

第１期郑　意等：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的太阳能光伏电池的建模及输出特性仿真研究

３．２．１　ＩＰＨ的求解ＩＰＨ＝

Ｓ·ＩＳＣ

１　

０００×［１＋ＫＩ（Ｔ－２５－２７３）］（７）式中：Ｓ为光照强度，ｗ／ｍ２；ＩＳＣ为标准测试条件下光伏电池的短路电流，Ａ；ＫＩ为短路电流温度系数，Ａ／Ｋ．

３．２．２　Ｉ０的求解

当电路开路时，令式（６

）等于０，得Ｉ０＝

ＩＰＨ

ｅｘｐ

ｑ（ＵＲ＋ＩＲＳ

）２２［］

ＡＫＴ

－１（８）３．２．３　ＲＳ的求解

对于已经加工好的光伏电池，电阻ＲＳ基本保持

不变，

因此可将ＲＳ看成一个恒定的值，其大小可由式（９）求得，其中最大输出电压ＶＭＰＰ和最大输出电流ＩＭＰＰ的值由电池参数手册获得，

其值见表１，光生电流ＩＰＨ的值为根据式（

７）求的标准测试条件Ｓ＝１０００ｗ

／ｍ２

，Ｔ＝２５℃，下的值．ＲＳ＝２２ＡＫＴｑｌｎ（ＩＰＨ－ＩＭＰＰＩ０

＋１）－ＶＭＰＰ

ＩＭＰＰ

（９

）将选用的光伏电池的参数带入式（９）中求得ＲＳ＝０．５１４　

２．４　仿真结果分析

在建立光伏电池阵列的输出特性数学模型，并完成仿真参数的求解后，根据公式（６）在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立太阳能光伏电池输出特性仿真模型如图３所示．该模型采用以光照强度Ｓ和温度Ｔ作为输入，以流过负载的电流Ｉ和负载两端的电压ＵＲ作为输出来进行仿真．

模型中用一个Ｓ函数模块来模拟流过二极管的电流ＩＤ，其表达式为

251000T

S

T S iph iph

Continuous powergui

+

-I S

-

S +

Id

Rsh

R

+-v V

+-v V1

Rs

+-i Display2

Display1

Product1

x

Display3

S 蛳Ｆunction1fun1

la

los V T iph

c 图３　光伏电池Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型Ｆｉｇ．３　Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｐ

ｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ 在Ｓ函数对话框中需输入常量参数Ａ，Ｋ，ｑ，

ｍ，ｎ的值，其值见表１．完成仿真模型的建立后，做如下两种仿真分析．

４．１　不同光照条件下光伏电池的输出特性．按表１设置仿真参数，设置温度Ｔ等于２５℃恒

定不变，光照强度Ｓ依次选取１　

０００ｗ／ｍ２

，８００ｗ

／ｍ２，６００ｗ／ｍ２，４００ｗ／ｍ２，２００ｗ／ｍ２．改变负载电阻的大小对仿真模型进行采样，通过曲线拟合得到在不同光照强度下光伏电池的输出特性Ｉ－Ｕ曲线如图４所示．

从图中可以看出在温度相同时电流Ｉ随着光照强度的增加明显增加，电压Ｕ随着光照强度的变化几乎没有发生变化，而在最大功率点处也满足这种变化，即随着光照强度增加最大输出电流ＩＭＰＰ明显增大，

而最大输出电压ＵＭＰＰ变化不大，因此最大功1086420

I /A

1000w/m 2800w/m 2600w/m 2400w/m 2200w/m 2

050100150

U /V

图４　不同光照条件下光伏阵列的输出Ｉ－Ｕ曲线Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　Ｉ?Ｕ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ＰＶ　ａｒｒａｙ　

ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｇ

ｈｔ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ９

９

兰州交通大学学报第３２卷

率ＰＭＭＰ＝ＩＭＰＰ×ＵＭＰＰ也随着光照强度的增大而增大．

４．２　不同温度条件下光伏电池的输出特性．

保持光照强度Ｓ在１　０００ｗ／ｍ２恒定不变，温度Ｔ依次选取４５℃，３０℃，２５℃，－５℃，－１

５℃．改变负载电阻的大小对仿真模型进行采样，通过曲线拟合得到光伏电池在不同温度条件下光伏电池的输出特性Ｉ－Ｕ曲线如图５所示．

I /A

050100150U /V

121086420

45℃30℃-5℃

-15℃

25℃

200

图５　不同温度条件下光伏阵列的输出Ｉ－Ｕ曲线Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅ　ｏｕｔｐｕｔ　Ｉ?Ｕ　ｃｕｒｖｅ　ｏｆ　ＰＶ　ａｒｒａｙ　

ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐ

ｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ图中曲线从左至右依次为温度在４５℃，３０℃，２５℃，－５℃，－１

５℃条件下得到的仿真曲线．从图中可以看出，在光照强度相同时，随着温度升高电流Ｉ有所增加，

电压Ｕ随着温度的升高而急剧下降．虽然温度从零下升至零上时电流增大比较明显，但是随着温度的升高电压Ｕ降低的幅度明显要大于电流

Ｉ升高的幅度，

最大功率点处也满足这种关系，所以最大功率ＰＭＭＰ＝ＩＭＰＰ×ＵＭＰＰ随着温度的升高而降低．

５　总结

光伏电池的输出特性不仅与自身参数有关，还与外界光照强度和环境温度有关．本文在分析了光伏电池数学模型的基础上，利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ

仿真软件建立了光伏电池的仿真模型．仿真结果能够反映光伏电池输出特性随着外界光照强度和环境温度的变化规律，同时从建模的整体过程来看，本文建立的模型与完全采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ数学模块建立的模型相比，具有结构简单，易于理解，方便参数设置等特点．

在仿真时只需要厂家提供的相关产品参数就可以模拟出与实际情况接近的特性曲线，

这对光伏系统的理论分析提供了很大的方便．参考文献：

［１］　Ｏｍａｎｈ．Ｓｐａｃｅ　ｓｏｌａｒ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　ＡＥＳＳｙｓｔｅｍｓ　Ｍａｇａｚｉｎｅ，２０００，１５（２）：３－８．［２］　沈辉，曾祖勤．太阳能光伏发电技术［Ｍ］．

北京：化学工业出版社，２００５．

［３］　赵书利，叶烽．太阳能电池技术应用与发展［Ｊ］．

船电技术｜化学电源，２０１０，３０（４）：４７．

［４］　张贵恒，强生泽．太阳能光伏发电系统及其应用［Ｍ］．

北京：化学工业出版社，２０１１：４１－４９．

［５］　王长江．基于ＭＡＴＬＡＢ的光伏电池通用数学模型

［Ｊ］．电力科学与工程，２００９，２５（４）：１１－１４．

［６］　杜慧．太阳能光伏发电控制系统的研究［Ｄ］．

北京：华北电力大学，２００８．

Ｍｏｄｅｌｉｎｇ　

ａｎｄ　ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｏｕｔｐｕｔ　Ｆｅａｔｕｒｅ　ｏｆ　ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ　Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｃｅｌｌ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＳｉｍｕｌｉｎｋＺＨＥＮＧ　Ｙｉ，　ＺＨＡＯ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ，　ＧＯＵ　Ｘｉａｎｇ－ｆｅｎｇ

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００７０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ＰＶ　ｃｅｌｌｓ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐ

ｅｒ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｆｏｒｍｕｌａ，ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＰＶ　ａｒｒａｙ　ｉｓ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｕ－Ｉ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＰＶｃｅｌｌｓ　ａｒｅ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｌｉｇｈｔ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ａｍｏｎｇ　ｔｈｅｍ　ｔｈｅｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌｓ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｓｅｔ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　１２５×１２５ｒｉｇｉｄ　ＰＶ　ｆｉｌｍｓ．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　ｃｅｌｌ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；ｏｕｔｐｕｔ　ｆｅａｔｕｒｅ００１

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验 太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸气驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。 为此，我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。 【实验目的】 1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线 2. 测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 、最大输出功率max P 及填充因子FF 3. 测量太阳能电池的短路电流SC I 、开路电压OC U 与相对光强0J J 的关系，求出它们的近似函数关系。 【实验仪器】 光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱

【实验原理】 太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。在没有光照时, 可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压U 与通过的电流I 的关系为 ??? ? ??-=10nKT qU e I I (1) 其中0I 是二极管的反向饱和电流,n 是理想二极管参数,理论值为1。K 是玻尔兹曼常量,q 为电子的电荷量,T 为热力学温度。（可令nKT q =β） 由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为V C E E -的半导体所构成。C E 为半导体导电带，V E 为半导体价电带。 当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸收，并产生电子-空穴对。 电子-空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一现象称为光伏效应。 光电流示意图 太阳能电池的基本技术参数除短路电流SC I 和开路电压OC U 外, 还有最大输出功率max P 和填充因子FF 。最大输出功率max P 也就是IU 的最大值。填充因子FF 定义为 OC SC U I P FF m ax = (2) FF 是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。FF 值越大,说明太阳能电池对光的利用率越高。

硅光电池特性测试实验报告

硅光电池特性测试实验报告 系别：电子信息工程系 班级：光电08305班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010年4月2日 指导老师：王凌波 2010.4.6

目录 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结

一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验 设计实验2：简易光照度计设计实验 三、实验仪器 1、硅光电池综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、光照度计 1台 4、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 6、三相电源线 1根 7、实验指导书 1本 8、20M 示波器 1台 四、实验原理 1、硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。 零偏反偏正偏 图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合

@探究太阳能电池的输出特性

探究太阳能电池的输出特性 一、引言 能源危机与环境污染是人类正面临的重大挑战，开发新能源和可再生清洁能源是21世纪最具决定影响的技术领域之一。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的可再生清洁能源，对太阳能电池的研究与开发也变得日益重要。 二、实验目的 1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。 2、测量太阳能电池在光照时的输出伏安特性，作出伏安特性曲线图，从图中求得它的短路电流 I SC 、开路电压U OC 、最大输出功率Pm 及填充因子 FF ， [FF=Pm/(I SC *U OC )]。 三、实验原理 1、太阳能电池工作原理： 太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压 U 与通过电流I 的关系式为：(1)式中，o I 和β是常数。 )1e (I I U o -?=β (1) 由半导体理论，二极管主要是由能隙为V C E E -的半导体构成，如图1所示。 C E 为半导体导电带，V E 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图1 电子和空穴在电场的作用下产生光电流 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图2所示。 图2 太阳能电池的理论模型电路图 图2中，ph I 为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，d I 为光照时通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： 0R )I I I (U IR sh d ph s =---+ （2） （2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， d sh ph sh s I R U I )R R 1(I --=+ （3） 假定∞=sh R 和0R s =，太阳能电池可简化为图3所示电路。 图3 太阳能电池的简化电路图

太阳能电池基本特性测定试验

太阳能电池基本特性测定实验 太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。 太阳能电池根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 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23%,规模生产时的效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，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为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地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，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。 太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。我们开设此太阳能电池的特性研究实验，通过实验了解太阳能电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的物理实验，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 【实验目的】 1. 无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线； UI U I曲线图；并测量太阳能变化关系，画出2. 有光照时，测量电池在不同负载电阻下，对IUP FF；及填充因子电池的短路电流、开路电压、最大输出功率SCaxOCm IU L的关系，求出它们的近似函数关系。与光照度 3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SCOC 【实验仪器】 白炽灯源、太阳能电池板、光照度计、电压表、电流表、滑线变阻器、稳压电源、单刀开关 连接导线若干 供参考． 】【实验原理 区，pn区流向结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由太阳光照在半导体

太阳能电池基本特性实验讲义

太阳能电池基本特性测定 目前人类所消耗的能源的70％来自煤、石油、天然气等化石燃料，在现有技术条件下，化石能源的大量使用给地球环境造成了严重危害，使人类生存空间受到了极大的威胁。科学家预言，尽管化石燃料能源未来仍将占有相当大比重，但其一统天下的局面将逐渐结束（地球上２亿年形成的化石燃料，大体只够人类使用300余年），可再生的清洁能源可望撑起未来世界能源供给的半壁江山。 太阳能的利用和研究是21世纪新型能源开发的重点课题之一。太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子能量转换为电能。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已应用于许多民用领域：如太阳能汽车、太阳能游艇、太阳能收音机、太阳能计算机、太阳能乡村电站等。太阳能是一种清洁、“绿色”能源。因此，世界各国十分重视对太阳能电池的研究和利用。 一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理。 2、学习掌握硅光电池的基本特性及其测试方法。 3、了解硅光电池的基本应用。 二、实验仪器 1.光功率计 2.测试仪 3.光源 4.光电二极管（用专用连接线与光功率计相连接） 5.样品架（用于放置光电二极管传感器，以及待测太阳能电池样品，含遮光罩） 6. 导轨 7.单晶硅样品 7.多晶硅样品 图1 太阳能电池特性测试仪

1、太阳能电池:单晶硅和多晶硅各1块：60×60mm 2，有效面积50×45mm 2 ，开路电压不低于4V ，闭路电流不小于15mA ；2、光功率计:三位半数显，量程200uw 、2mw 和20mW 三档，数字按键档位切换；光功率计传感器采用高灵敏度光电二极管；3、精密电阻负载：0～99999.9Ω；4、测试仪:电压表：2.000V 和20.00V 两档；电流表：2.000mA 和200.0mA 两档；0-5V 可调直流电源，带限流输出功能；5、光源功率：100W ；6、导轨：长75cm ； 三、实验原理 太阳能电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为： )1(-=U o e I I β (1) (1)式中，Ｉ为通过二极管的电流，o I 和β是常数，o I 为反向饱和电流。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。E C 为半导体电带，E V 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的 假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻R Sh 与一个电阻R S 所组成，如图3所示。 图3中，I Ph 为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，I d 为光照时,通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： 0)(=---+sh d ph s R I I I U IR (2) （2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， d sh ph sh s I R U I R R I --=+ )1( (3)

太阳能电池探究亮特性光照强度关系

扬州大学物理科学与技术学院 大学物理综合实验训练论文实验名称：太阳能电池探究亮特性光照强度关系 班级：物教1201班 姓名：郑清华 学号：120801117 指导老师：李俊来

太阳能电池探究亮特性光照强度关系 物教1201 郑清华指导老师：李俊来 摘要：本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/2 m时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词：太阳能电池;输出特性；光强特性。 一、研究背景 随着经济社会的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求，随着社会经济而急剧膨胀，专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤，并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况，全球化石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，而地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳，也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太阳能是最为清洁的能源，并且不受任何地域限制，随处可取。此外，将太阳能转换为电能后，电能又是应用范围最广，输送最方便的一种能源。 太阳能一般指太阳光的辐射能量。我们知道在太阳内部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应，反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释放到宇宙空间的所有能量都属于太阳能的范畴。太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间内不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本, 使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机，实现能源可持续发展的重要途径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品，其最高效率是24.7%，由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高转换效率十分困难，但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此，研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的。 二、太阳能光伏电池实验 （一）实验目的 1.了解pn结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构，理解其工作原理。

光伏特性曲线实验报告

绪论 一实验目的 本实验课程的目的，旨在通过课内实验教学，使学生掌握太阳能发电技术方面的基本实验方法和实验技能，帮助和培养学生建立利用所学理论知识测试、分析和设计一般光伏发电电路的能力，使学生巩固和加深太阳能发电技术理论知识，为后续课程和新能源光伏发电技术相关专业中的应用打好基础。 二实验前预习 每次实验前，学生须仔细阅读本实验指导书的相关内容，明确实验目的、要求；明确实验步骤、测试数据及需观察的现象；复习与实验内容有关的理论知识；预习仪器设备的使用方法、操作规程及注意事项；做好预习要求中提出的其它事项。三注意事项 1、实验开始前，应先检查本组的仪器设备是否齐全完备，了解设备使用方法及线路板的组成和接线要求。 2、实验时每组同学应分工协作，轮流接线、记录、操作等，使每个同学受到全面训练。 3、接线前应将仪器设备合理布置，然后按电路图接线。实验电路走线、布线应简洁明了、便于测量。 4、完成实验系统接线后，必须进行复查，按电路逐项检查各仪表、设备、元器件的位置、极性等是否正确。确定无误后，方可通电进行实验。 5、实验中严格遵循操作规程，改接线路和拆线一定要在断电的情况下进行。绝对不允许带电操作。如发现异常声、味或其它事故情况，应立即切断电源，报告指导教师检查处理。 6、测量数据或观察现象要认真细致，实事求是。使用仪器仪表要符合操作规程，切勿乱调旋钮、档位。注意仪表的正确读数。． 7、未经许可，不得动用其它组的仪器设备或工具等物。 8、实验结束后，实验记录交指导教师查看并认为无误后，方可拆除线路。最后，应清理实验桌面，清点仪器设备。 9、爱护公物，发生仪器设备等损坏事故时，应及时报告指导教师，按有关实验管理规定处理。 10、自觉遵守学校和实验室管理的其它有关规定。 四实验总结 每次实验后，应对实验进行总结，即实验数据进行整理，绘制波形和图表，分析实验现象，撰写实验报告。实验报告除写明实验名称、日期、实验者姓名、同组实验者姓名外，还包括： 1．实验目的； 2．实验仪器设备（名称、型号）； 3．实验原理； 4．实验主要步骤及电路图； 5．实验记录（测试数据、波形、现象）； 6．实验数据整理（按每项实验的实验报告要求进行计算、绘图、误差分析等）；．回答每项实验的有关问答题。7．

太阳能电池特性研究_实验报告参考

E I I 圏&全暗吋太阳能电池在外加偏压吋的伏安特性测量电路之二 四、实验步骤 1 ?在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性，用实验测得的正向偏压时I ~ U关

系数据，画出I ~ U曲线并求得常数1和I。的值。 2?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。 (1 )画出测量实验线路图。 (2)测量太阳能电池在不同负载电阻下，|对U变化关系，画出I ~ U曲线图。 (3)用外推法求短路电流| sc和开路电压U oc。 (4)求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。 (5)计算填充因子［FF =P m/(l sc ?U°c)］。 五、实验数据和数据处理 1.在没有光源(全黑)的条件下，测量太阳能电池施加正向偏压时的I ~ U特性。 表1 图-(b)全暗情况下太阳能电池外加偏压时的伏安特性半对数曲线 二V ,丨0二mA，相关系数0.9996，电流与电压的指数关系得到验证。

2 ?在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池一些特性。

图9恒定光强无偏压时太阳能电池输出功率与负载电阻关系曲线 太阳能电池的最大输出功率 P m 二 ，最大输出功率时负载电阻 R L 二 1. 2 I (inA) 3在恒定光照下太阳能电池不加偏压时的伏安特性曲线

填充因子[FF 二P m/(l sc ?U°c)]= = 。 六.实验结果 - V ' , I o = mA, 短路电流l sc= ,开路电压U OC=。 填充因子[FF =P m/(l sc ?U°c)]= 七.分析讨论(实验结果的误差来源和减小误差的方法、实验现象的分析、问题的讨论等) 八.思考题

太阳能电池光伏特性研究

太阳能光伏电池特性实验研究 太阳能光伏电池的输出具有非线性，这种非线性受到外部环境（包括日照强度、温度等）以及本身技术指标（如输出阻抗）的影响，从而使得太阳能电池的输出功率发生变化，其实际转换效率受到一定限制。因此，对太阳能光伏电池输出特性的研究成为了一个重要课题[1]。与跟踪式太阳能光伏系统相比，固定式太阳能光伏系统有着结构简单、成本低廉等优点。太阳能光伏电池表面温度将随辐射能的增强而升高，在一定程度上影响了太阳能电板的输出功率。本文主要对固定式单晶硅太阳能电池输出功率等进行了实验研究。 1、理论分析 理想的太阳能电池可以看做是一个产生光生电流I ph 的恒流源与一个处于正向偏置的二极管并联，如图1所示。如果负载R L 短路了，电路只有光生电流I ph ，光强越强，电子-空穴对的产生率越高，光生电流I ph 越大，即短路电流I sc 为： sc ph I I =- （1） I I 图1 理想太阳能电池等效电路[2] 如果负载R L 不短路，那么P-N 结内流过的电流I d 方向与光生电流方向相反，会抵消部分光生电流，使少数载流子注入和扩散。太阳能电池输出的净电流I 是光生电流I ph 和二极管电流I d 之差，故太阳能电池的光伏I-V 特性可表示为： ph d ph exp 1O qV I I I I I nkT ?? ??=-=-- ?????? ? （2） 式中：I o ——反向饱和电流；n ——理想因子，由半导体材料和制造技术决定， n=1~2；V ——二极管电压；k ——波尔兹曼常数；q ——电子电量；T ——二极管绝对温度。 当电流I =0时，这意味着产生的光生电流I ph 正好等于光电压V oc 产生的二极管电流I d ，即I ph =I d 。从式（2）可得出V oc 为： ph 01OC I nkT V In q I ?? =+???? （3）

太阳能电池的基本特性与性能参数

1、太阳能电池的基本特性 太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下 1、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。 2、太阳电池的性能参数 太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。 3 太阳能电池的伏安特性 P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。 2、有关太阳电池的性能参数 1、开路电压 开路电压UOC：即将太阳能电池置于100 mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。 2、短路电流 短路电流ISC：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。 3、大输出功率

太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大,即可获得最

硅光电池特性的研究实验报告2

硅光电池基本特性的研究 太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 [实验目的] 1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线； 2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压 U OC、最大FF 3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系； [实验原理] 1、硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。 零偏反偏正偏 图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，

太阳能电池基本特性测定实验

太阳能电池基本特性测定实验 目对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。太阳能是一种新能源， 一是利利用太阳能发电目前有两种方法，前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究二是太阳能电池。用热能产生蒸气驱动发电机发电，为此，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。是21 世纪的热门课题，介绍太阳能电池的电学性质我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，联系科并对两种性质进行测量。该实验作为一个综合设计性的普通物理实验，和光学性质，技开发实际，有一定的新颖性和实用价值，能激发学生的学习兴趣。 】实验目的【无光照时，测量太阳能电池的伏安特性曲线1. IPU FF、开路电压及填充因子、最大输出功率2. 测量太阳能电池的短路电流SCaxmOC IJJU的关系，求出它与相对光强3. 测量太阳能电池的短路电流、开路电压SC0OC们的近似函数关系。【实验仪器】 光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、电流表、电阻箱

】【实验原理, 在没有光照时太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能。UI的关系为可将太阳能电池视为一个二极管,其正向偏压与通过的电流qU???? 1?I?Ie nKT (1) ??0??In qK,1。是二极管的反向饱和电流,是玻尔兹曼常量是理想二极管参数,理论值为其中0q T为热力学温度。（可令）为电子的电荷量,??nKT EEE?由半导体理论知,二极管主要是由如图所示的能隙为的半导体所构成。CVC E当入射光子能量大于能隙时，光子被半导体所吸为半导体价电带。为半导体导电带，V空穴对受到二极管内电场的影响而产生光生电动势，这一电子-收，并产生电子-空穴对。 现象称为光伏效应。 光电流示意图 IPU, 和外太阳能电池的基本技术参数除短路电流和开路电压还有最大输出功率 SCaxOCm P IUFFFF。最大输出功率也就是定义为的最大值。填充因子填充因子axm P?FF max (2) UI OCSC FFFF,说明太阳能电池对光的利用值越大是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。率越高。 】【实验内容及步骤U?I特性（直流偏压从1.在没有光源（全黑）的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的V00?3.））设计测量电路图，并连接。（1 1 图q I UI?I?U的值。和曲线并求出常数关系数据，利用测得的正向偏压时（2）画出??0nKT 注意此时光源到太阳能电池距在不加偏压时，用白色光照射，测量太阳能电池一些特性。2.cm20

太阳能电池特性测量

太阳能电池特性实验仪 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。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO 2、SO 2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO 2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO 2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO 2、SO 2广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。 在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m 等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。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。 2 ，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射 的功率密度约为1kW /m 2 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。 ，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 与传统发电方式相比，太阳能发电目前成本较高，所以通常用于远离传统电源的偏远地区，2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电计划”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 本实验研究单晶硅，多晶硅，非晶硅3种太阳能电池的特性。 实验内容 1． 太阳能电池的暗伏安特性测量 2． 测量太阳能电池的开路电压和光强之间的关系 3． 测量太阳能电池的短路电流和光强之间的关系 4． 太阳能电池的输出特性测量

太阳能电池的特性测量

实验目的 1. 测量不同照度下太阳能电池的伏安特性、开路电压U 0和短路电流I s 。 2. 在不同照度下，测定太阳能电池的输出功率P 和负载电阻R 的函数关系。 3. 确定太阳能电池的最大输出功率P max 以及相应的负载电阻R max 和填充因数。 原理 当光照射在距太阳电池表面很近的pn 结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度E g ，则在p 区、n 区和结区光子被吸收会产生电子-空穴对（如图1）。那些在 pn 结附近n 区中产生的少数载流子由于浓度梯度而要扩散。只要少数载流子离pn 结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处。在p 区与n 区交界面的两侧即结区，存在一空间电流区，也称为耗尽区。在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n 区指向p 区，这个电场称为内建电场。只有p 区的光生电子和n 区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向n 区，光生空穴被拉向p 区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在n 区边界附近有光生电子积累，在p 区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡pn 结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由p 区指向n 区。这一现象称为光伏效应（Photovoltaic effect ）。 图1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的工作原理是基于光伏效应的。当光照射太阳电池时，将产生一个由n 区到p 区的光生电流I s 。同时，由于pn 结二极管的特性，存在正向二级管电流I D ，此电流方向从p 区到n 区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流I 为两个电流之差： )()(D S U I ΦI I -= （1） 如果连接一个负载电阻R ，电流I 可以被认为是两个电流之差，即取决于辐照度Φ的 负方向电流I s ，以及取决于端电压U 的正方向电流I D 。 由此可以得到太阳能电池伏安特性的典型曲线（见图2）。在负载电阻小的情况下，太阳能电池可以看成一个恒流源，因为正向电流I D 可以被忽略。在负载电阻大的情况下，太阳能电池相当于一个恒压源，因为如果电压变化略有下降那么电流I D （U ）迅速增加。

太阳能电池特性(精)

如何设计锂离子电池充电器，以从太阳能电池板获得最大电力 作者：Jinrong Qian，德州仪器(TI) 应用工程设计经理和Nigel Smith，TI 系统工程师摘要 太阳能对便携式设备供电而言相当有吸引力，也一度广泛应用于计算器和航天飞行器等应用中。近期，我们正考虑将太阳能应用于包括移动电话充电器在内的更广泛的消费类产品应用中。 不过，太阳能电池板能提供的电力主要取决于工作环境，如光照强度、时间、地点等因素。电池通常用作能量存储设备，如果太阳能电池板能提供更多电力，就可给电池充电；如果太阳能电池板提供的电力不足，那么反过来电池就给系统供电。我们要如何设计锂离子电池充电器才能尽可能地利用太阳能电池并给锂离子电池充电呢？首先，我们来讨论太阳能电池的工作原理与电子输出特性，然后，我们再讨论电池充电系统的要求以及系统解决方案与太阳能电池特性相匹配的问题，从而尽可能地利用太阳能电池。 太阳能电池的I-V 特性 基本上，太阳能电池包括一个p-n 接点，光能（光子）在此使得电子和空穴重新组合，从而产生电流。由于p-n接点的特性类似于二极管，因此我们通常将图1 所示的电路用作太阳能电池特性的简化模型。 此处插入图1 图1 ：太阳能电池的简化电路模型 电流源IPH 生成的电流与太阳能电池接收的光照量成正比。在不接负载时，几乎所有生成的电流都流经二极管D，其正向电压决定着太阳能电池的开路电压(VOC)。VOC 因不同类型太阳能电池的具体特性而有所差异。但对大多数硅电池来说，VOC 值都在0.5V～0.6V

之间，这也是p-n 接点二极管的正常正向电压范围。 并行电阻(RP) 表示实际电池发生的较小漏电流，而Rs 则表示连接损耗。随着负载电流的增加，太阳能电池生成的电流会有更多一部分偏离二极管而进入负载。对大多数负载电流值来说，这对输出电压仅产生很小的影响。 图2 显示了太阳能电池的输出特性。太阳能电池的输出随着二极管的I-V 特性不同而略有变化，且串联电阻(RS) 也会造成较小的压降，但输出电压基本保持为常量。不过，在某一时刻，通过内部二极管的电流会非常小，导致偏置不足，这样二极管上的电压会随负载电流的上升而快速下降。最后，当所有生成的电流都流经负载而不通过二极管时，输出电压为零。这种电流称作太阳能电池的短路电流(ISC)，它与VOC 都是决定电池工作性能的主要参数，因此，我们将太阳能电池视为“电流有限的”电源。当输出电流增加时，输出电压会下降，最后降为零，这时负载电流为短路电流。 此处插入图2 图2 ：典型的太阳能电池I-V 特性 在大多数应用中，理想情况是尽可能从太阳能电池获得最大电力。由于输出功率是输出电压与电流的乘积，因此我们应明确电池哪部分工作区能实现最大的输出电压与电流乘积值，即所谓的最大功率点(MPP)。在一种极端情况下，输出电压为最大值(VOC)，但输出电流为零；在另一种极端情况下，输出电流为最大值(ISC)，但输出电压为零。在上述两种情况下，输出电压与电流的乘积均为零，因此，MPP 必须在两种极端情况之间。 我们可以很容易地证明（或通过实验观察到），不管在何种应用，MPP 实际上总会出现在太阳能电池输出特性图的转弯处（见图3）。实践中的问题在于，太阳能电池MPP 的确切位置会随着光照和环境温度的变化而变化，因此，为了尽可能利用太阳能，系统设计时必须在实际工作条件下实现或接近MPP。

太阳能电池探究亮特性光照强度关系

大学物理科学与技术学院 大学物理综合实验训练论文实验名称：太阳能电池探究亮特性光照强度关系 班级：物教1201班 ：清华 学号：120801117 指导老师：俊来

太阳能电池探究亮特性光照强度关系 物教1201 清华指导老师：俊来 摘要：本文介绍了太阳能电池研究背景、实验原理等。在不同光强条件对单晶硅太阳电尺进行了测试.研究发现,当光强为3433.56—10617.33W/2m时,开路电压随着光强的增加呈对数关系增加,短路电流几乎呈线性变化。效率随着光强的增加先增加后减小,最大效率值1、21%。填充因子随着光强的增加减小。 关键词：太阳能电池;输出特性；光强特性。 一、研究背景 随着经济社会的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。人类对能源的需求，随着社会经济而急剧膨胀，专家估计目前每年能源总消耗量为200亿吨标准煤，并且其中90%左右为不可再生的化石能源来维持。就目前情况，全球化石能源储备只能维持100年左右。太阳能以其清洁、长久、无害等优点自然而然成为人类可持续发展不得不考虑的能源方式。太阳每年通过大气向地球输送的能量高达3×1024焦耳，而地球上人类一年的能源总需求达到约4.363×1020焦耳，也就是说，如果我们可以收集其中的万分之一到万分之二就足够我们的需求。太阳能是最为清洁的能源，并且不受任何地域限制，随处可取。此外，将太阳能转换为电能后，电能又是应用围最广，输送最方便的一种能源。 太阳能一般指太的辐射能量。我们知道在太阳部无时无刻不在进行着氢转变为氦的热核反应，反应过程中伴随着巨大的能量释放到宇宙空间。太阳释放到宇

宙空间的所有能量都属于太阳能的畴。太阳能电池是目前太阳能利用的关键环节，核心概念是pn结和光生伏特效应 晶体硅太阳电池在如今的光伏市场中占据了绝对主导的地位,而且这一地位在今后很长一段时间不会改变,因此提高晶体硅太阳电池效率,降低生产成本,使晶体硅太阳电池能与常规能源进行竞争成为现今光伏时代的主题.太阳能是最具发展潜力的新能源。光伏发电是解决能源危机，实现能源可持续发展的重要途径之一。硅太阳能电池是当今市场的主流产品，其最高效率是24.7%，由新南威尔士大学马丁·格林教授研制的PERL单晶硅电池取得单并保持至今。继续提高转换效率十分困难，但电池的效率会随温度和光强变化而变化。因此，研究温度和光强对太阳能电池的影响是必要的。 二、太阳能光伏电池实验 （一）实验目的 1.了解pn结的基本结构与工作原理。 2.了解太阳能电池组件的基本结构，理解其工作原理。 3.掌握pn结的I-V特性（整流特性）及其对温度的依赖关系。 4.掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与测试方法，理解波长因素对太阳能电池输出特性的影响。 5.通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。 （二）实验原理

太阳能电池的基本特性研究

太阳能电池的基本特性研究 贺超1,2，3 （1,孙越崎学院.2,2014-2班.3，学号：01140085） 摘要：人类面临着有限常规能源和环境破坏严重的双重压力，能源问题已经成为越来越值得关注的社会与环境问题。太阳能电池是一种将太阳或其他光源的光能直接转化为电能的器件，目前太阳能电池已被应用于许多民用领域。本文主要介绍太阳能电池的基本特性以及基本原理,并设计实验来测量太阳能的开路电压、短路电流以及它们与入射光强度的关系，同时来太阳能电池的输出伏安特性曲线。在此基础上预测太阳能电池的发展趋势。 关键字：太阳能电池输出伏安特性曲线开路电压短路电流 A Study on the basic characteristics of solar cells HE Chao1,2,3 （1,SUN Yueqi Honors College.2,Class 2014-2.3.SID:01140085） Abstract:Human beings are faced with the dual pressures of limited conventional energy and environmental damage. Energy issues has become more and more attention to the social and environmental issues. Solar cell is a device that can directly convert sunlight or other light source into electrical energy, and solar cell has been used in many civil fields. This paper mainly introduces the basic characteristics and basic principles of solar cells, and the design of the experimental measurement of the solar energy, the open circuit voltage, short circuit current and the relationship between them and the incident light intensity, while the output voltage of solar cells.On this basis,we will predict the development trend of solar cells. （一）太阳能电池的简介 太阳能电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人气象站等处。太阳能电池类型（按材料分）包括：硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极性电池、纳米经化学太阳能电池。硅系太阳能电池可分为以下几类： 1.单晶硅太阳能电池 单晶硅太阳能电池的光电转换效率为17%左右，最高的达到24%，这是所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，大部分厂商一般都是提供25年的质量保证。 单晶柔性太阳能组件：可弯曲太阳能组件也称柔性组件，所谓柔性，是指该电池板可折弯。折弯角度可达30度。单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。太阳能电池组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能

太阳能电池特性测试实验报告

太阳电池特性测试实验 太阳能是人类一种最重要可再生能源，地球上几乎所有能源如: 生物质能、风能、水能等都来自太阳能。利用太阳能发电方式有两种：一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。其中，光—电直接转换方式是利用半导体器件的光伏效应进行光电转换的，称为太阳能光伏技术，而光—电转换的基本装置就是太阳电池。 太阳电池根据所用材料的不同可分为：硅太阳电池、多元化合物薄膜太阳电池、聚合物多层修饰电极型太阳电池、纳米晶太阳电池、有机太阳电池。其中，硅太阳电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。硅太阳电池又分为单晶硅太阳电池、多晶硅薄膜太阳电池和非晶硅薄膜太阳电池三种。单晶硅太阳电池转换效率最高，技术也最为成熟，在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但单晶硅成本价格高。多晶硅薄膜太阳电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池。非晶硅薄膜太阳电池成本低，重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力，但稳定性不高，直接影响了实际应用。 太阳电池的应用很广，已从军事、航天领域进入了工业、商业、农业、 通信、家电以及公用设施等部门，尤其是在分散的边远地区、高山、沙漠、海岛和农村等得到广泛使用。目前，中国已成为全球主要的太阳电池生产国，主要分布在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 一、 实验目的 1． 熟悉太阳电池的工作原理； 2． 太阳电池光电特性测量。 二、 实验原理 （1） 太阳电池板结构 以硅太阳电池为例：结构示意图如图1。硅太阳电池是以硅半导体材料制成的大面积PN 结经串联、并联构成，在N 型材料层面上制作金属栅线为面接触电极，背面也制作金属膜作为接触电极，这样就形成了太阳电池板。为了减小光的反射损失，一般在表面覆盖一层减反射膜。 （2） 光伏效应 当光照射到半导体PN 结上时，半导体PN 结吸 收光能后，两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。由于P-N 结耗尽区存在着较强的 图1 太阳能电池板结构示意图