实验17太阳能电池伏安特性的测量

太阳能电池也称光伏电池，是将太阳辐射能直接转换为电能的半导体器件。它是太阳能发电系统的心脏。它具有不消耗常规能源、寿命长、维护简单、使用方便、无噪音、无污染等优点。太阳能电池已作为空间探索的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备，气象台站，航标灯的重要电源。目前，太阳电池已广泛用于收音机、计算机、交通信号等方面。在发达国家太阳能光伏发电已进入城市电网。太阳能光伏发电有望成为21世纪的重要能源，在世界能源构成中占有一定的地位。 实验目的

1.了解太阳能电池的工作原理及基本结构。 2.测量太阳能电池的伏安特性曲线。 实验原理

1.太阳能电池的结构

硅光电池按衬底材料的不同可分为2DR和2CR型。图1为2DR型结构示意图。它是以P型硅为衬底（厚约500μm），在其上 面用扩散法制作一层厚约0.3μm的N型 层，并将它作为受光面。在N型层上制作 金属栅线，作为输出电极，目的是减小光 电池的内阻。在整个背面制作金属膜背电 极。在光敏面上涂一层极薄的二氧化硅透 明膜，它既可以起到防潮，防尘等保护作 用，又可以减小硅光电池表面对入射光的

图1 硅太阳能电池结构示意图 反射，增强对入射光的吸收。2CR型电池

则是以N型硅为衬底制作的。 2.PN结的内建电场

在P型（或N型）半导体衬底上，用 扩散方法形成一层N型(或P型）层。在P 区（空穴导电）和N区（电子导电）交界 处，由于两边电子和空穴浓度不同，P区 的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩 散。于是，在P区形成负电层，N区形成 正电层，如图2所示。这两个带电层形成

图2载流子扩散形成内电场 一个内电场，它反过来又阻挡上述扩散，

直到扩散作用与阻挡作用达到一种动态平衡。一般所说PN结就是指这层阻挡层。

如果在PN结两端外加正向电压（P区接正，N区接负），如图3（a）所示。则外加电 (a) (b) 图3 正向偏置电压 场与PN结内建电场方向相反，它将削弱内电场对载流子扩散运动的阻挡，使扩散继续进行。而且由电源补充扩散电荷，使二极管导通，形成稳定的电流。其电路符号如图3（b）。

3.PN结的光电转换过程

光照射在PN结上时，存在下列几种情况：

1）光被半导体表面反射而不能进入材料内部。例如洁净硅表面对0.4~1微米波长的光的反射系数约为30%。这对光电池是一个很大的损失。因此应采用合适的表面抗反射涂层来减少损失。

2）进入半导体材料的光子能量若小于材料的禁带宽度，光线将透过该材料而不被吸收。因此选择适当的半导体材料和制作工艺，使太阳能电池有较好的光谱特性是十分重要的。常规的硅光电池光谱响应波长范围在0.4~1µm，峰值响应波长约为0.9µm. 3)进入电池的光子能量大于半导体材料禁带宽度时，能在材料内产生电子一空穴对，但若没有一种机制将电子一空穴对分离开，电子与空穴又 将很快复合而不能成为载流子。

PN结的内建电场在分离电子一空穴对的过程中起了 关键的作用。电子与空穴如果在复合之前受到内电场作 用，把P区产生的电子拉到N区，而把N区产生的空穴 拉向P区。使N区获得附加的负电荷，P区获得了附加 的正电荷。这样，在PN结上产生了一个光生电动势。这 一现象称为光伏效应。

4.光电池的等效电路 在光照条件下，如果图4中的光电池的外回路断开(R

→∞)，产生了数值等于开路电压VOC的最大光生电势。如果将光电池外负载短路（R=0），那么被结分开的电子和空穴不可能在结处积累，在光生电势的驱使下流经外回路，产生了数值等于短路电流Isc的最大的光生电流IP。光电池外按负载R这是正常使用情况。光生电流流经R产生一个电压降V=IR（图4）。从而使P区电位高于N区，相当于图3（a）中的正向偏置电压。因此在PN结中有从P区流向N区的二极管导通电流ID。它的方向与光生电流方向相反。

通过上面的分析，可以画出光电池的等效电路（图5）。太阳能电池相当于一个电流为 IP的恒流源。它在工作时又相当于一个导通的 二极管，存在导通电流ID。RSh是PN结的并联电 阻。表示PN结存在泄漏电流。不过在现代工艺条 件下。泄漏电流很小，可以认为RSh远大于RS和R 而忽略不计。RS是太阳能电池电极等引起的串联电 阻。在制作太阳能电池时，应尽量减小RS.

图5 光电池的等效电路 5.硅光电池的伏安特性

由光电池等效电路可以看出，流过负载的电流I=IP-ID。式中的ID是因PN结二极管特性存在的导通电流。

evnkT1 (1) IDIOexpIO为二极管反向饱和电流,V为PN结两端电压；e是电子电量；k是玻尔兹曼常数；T

为热力学温度；n称为理想系数，是表示PN结特性的参数，其理论值为1，取值在1~2之间。

于是，光电池输出电流

evnkT1? I IP IOexp (2)

式中IP是光生电流；当太阳能电池输出端短路时，V=0，由式（2）可知短路电流

ISC=IP (3) 即太阳能电池的短路电流等于光生电流。当太阳能电池的输出端开路时，I=0，由式（1）和式（3）可得开路电压

VocnkTIsc (4) In1 eI0太阳能电池接上负载R时的伏安特性曲线如图

（6）所示。在最佳负载Rm情况下，可使电池输出 功率最大

PmImVm (5)

式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作

电压。定义填充因子

FF图6 硅光电池的伏安特性曲线 PmVImmVocIscVocIsc (6)

填充因子FF为太阳能电池的重要表征参数。 FF越大。说明电池对太阳能的利用率越高。FF取

决于入射光强，材料的禁带宽度，理想系数，串联电阻，并联电阻等。

太阳能电池的转换效率η定义为其最大输出功率与照射到太阳能电池的总辐射能P之比。

PM100% (7) P它与入射光的波长和电池的材料有关。



实验仪器

硅太阳能电池、60W白炽灯、电阻箱、数字万用表、稳压电源。 实验内容

1． 无光照时，在正向偏压下测量硅光电池的伏安特性。

按图（7）接电路，无光照时，硅光电池在正向偏置电压下的导通性质类似普通二极管。偏压由0.6~2.0V，注意在V较大时，测得密一些，将数据记入表1。

VI由式（1）enKT1我们估计一下指数的量级：

I0e波尔兹曼常数k=1.38×10^-23 J/K，e=1.6×10^-19C, 常温下T~300K，取理想因子n=2, 则

nkT~2×300×1.38×10^-23=8.28×10^-21~10^-20J。 若正向偏压V~1V，则eV1.61019J.因此

图7 无光照测量I~V eVenKT1,即有InIInI0eV。由InI~V图直 nKT线截距InIO可求得饱和暗电流IO，由斜率可求得e/nkT。 2.测量光电池的负载特性。

(1) 按图（8）接电路，不加偏压。白光源到光电池的距离~20cm（使光线直射在光电池）。

为避免环境杂散光干扰，在光电池的侧面加放遮光罩。改变负载电阻，测量光电组输出1、V，电阻R取值从0.1kΩ~50kΩ,数据记入表2.

（2）作硅光电池的伏安特性曲线。沿曲线变化趋 势使曲线分别与I轴和V轴相交，找出短路电流Isc和

‘‘

开路电压Voc并与直接测量结果Isc，Ioc比较。

（3）作输出功率P随负载电阻变化的关系曲线。 找出对应最大输出功率PM的最佳负载电阻RM。

图8 有光照测量I~V （4）在I~V图上，由斜率为I／RM的直线，与曲

线的交点坐标可求硅光电池最佳工作电流IM和最佳工作电压VM，进而求出填充因子

FF数据表格

表1 光照正向伏安特性 V（v） I（μA） InI 表2 光电池的负数特性 R(kΩ) V(v) I(mA) R(kΩ) V(v) I(mA) 0 VMIM

VOCISC P(mW) ∞ P(mW) 观察与思考

观察与思考

1. 做完实验后，把光源前移和后移，改变与光电池的距离，测一下短路电流ISC与开路电

压V,OC的变化情况。

2.考虑一下，硅光电池除了用作电池，还可能有什么用处？把你的创意用框图表示出来。