一、概述

太陽能是一種新型能源，對(duì)太陽能的充分利用可以解決人類日趨增長的能源需求問題。目前，太陽能的利用主要集中在熱能和光伏發(fā)電兩方面。利用太陽能發(fā)電目前有兩種方法，一是利用熱能產(chǎn)生蒸氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，二是太陽能電池。太陽能的利用和太陽能電池的特性研究是21世紀(jì)的熱門課題，許多發(fā)達(dá)國家正投入大量人力物力對(duì)太陽能接收器進(jìn)行研究。 本實(shí)驗(yàn)介紹太陽能電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對(duì)兩種性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試儀工作狀態(tài)圖

二、技術(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)儀采用專業(yè)光源在實(shí)驗(yàn)室模擬太陽光，四塊太陽能電池板安裝在滑動(dòng)導(dǎo)軌上。通過太陽輻射計(jì)測(cè)量光功率，可測(cè)量太陽能電池的伏安特性和轉(zhuǎn)換效率。
具體技術(shù)指標(biāo):
   1.太陽模擬光源：交流220V/150W；
   2.太陽能電池：多晶硅60mm×60mm×0.3W×4片；
   3.每片開路電壓：3.78V，短路電流80mA；
   4.直流穩(wěn)壓電源：0～2.5V連續(xù)可調(diào)；
   5.太陽輻射傳感器:測(cè)試功率:0～2000W /m2光譜范圍:320nm～1100nm 精度小于5%,即可在模擬光源下測(cè)量又可在室外太陽下測(cè)量太陽輻射值,使學(xué)生更好的掌握太陽輻射效率。
   6.直流數(shù)字電壓表：0～20V，三位半數(shù)顯指示，精度±0.5%；
   7.直流數(shù)字電流表：0～200mA，精度：±0.5%；
   8.負(fù)載電阻：0～9999Ω；
   9.光源支架全部為不銹鋼材料,主機(jī)為鋁和金箱式結(jié)構(gòu),便于攜帶。

三、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

  1、無光照時(shí)太陽能電池的伏安特性測(cè)試；

  2、太陽能電池開路電壓、短路電流與光強(qiáng)的關(guān)系測(cè)試；

  3、太陽能電池負(fù)載特性與轉(zhuǎn)換效率測(cè)試；

  4、太陽能電池的串、并聯(lián)實(shí)驗(yàn)；

  5. 室外的太陽輻射的測(cè)量方法實(shí)驗(yàn)。

測(cè)試儀實(shí)物圖

四、實(shí)驗(yàn)原理

太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)為PN結(jié)。理想PN結(jié)的電流和電壓關(guān)系由下式（1）給出

（1）

式中，I0是無光照時(shí)的反向飽和電流，U是結(jié)上的電壓，e是電子電荷，k是玻爾茲曼常量，T表示熱力學(xué)溫度，可令。當(dāng)光照射在太陽能電池表面的PN結(jié)上時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則光子將被太陽能電池吸收而產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。太陽能電池輸出的凈電流I是光生電流IPh和兩極管電流Id之差，凈電流I由下式給出

（2）

當(dāng)太陽能電池的輸出端短路時(shí)，即U=0，由(2)式可得到短路電流ISC=IPh；當(dāng)太陽能電池的輸出端開路時(shí)，即I=0，可推得開路電壓UOC。正常運(yùn)行時(shí)，IPh比I0高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此(2)式括號(hào)中的1可以忽略。
當(dāng)太陽能電池接上負(fù)載電阻后，太陽能電池的輸出電壓和電流隨著負(fù)載電阻的變化而變化，當(dāng)負(fù)載電阻R在某一值時(shí)時(shí)，太陽能電池的輸出功率為最大，即最大輸出功率，設(shè)此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓為Um，電流為Im，有Pm=Im*Um。填充因子定義為

  (3)

是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。某狀態(tài)下值越大，說明太陽能電池在對(duì)應(yīng)該負(fù)載電阻情況下對(duì)光的利用率越高。