太阳能电池基本特性的测量
太阳能的利用和太阳能电池特性研究是21世纪新型能源开发的重点课题。目前硅太阳能电池应用领域除人造卫星和宇宙飞船外，已大量用于民用领域：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。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，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。
【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(ISC)、开路电压(UOC)、最大输出功率Pm及填充因子FF，
[FF?Pm/(ISC?UOC)]。填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3． 测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流ISC和相对光强度J/J0之间关系，画出ISC与相对光强J/J0之间的关系图；测量开路电压UOC和相对光强度J/J0之间的关系，画出UOC与相对光强J/J0之间的关系图。
【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：
I?(1)式中，Io和?是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC?EV的半导体构成，如图1所示。EC为
Io?(e?U?1) (1)
半导体导电带，EV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。
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Rsh与一个电阻Rs所组成，如图2所示。
图2中，Iph为太阳能电池在光照时的等效电源输出电流，Id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：
IRs?U?(Iph?Id?I)Rsh?0 （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，
I(1?RsU)?Iph??Id （3） RshRsh假定Rsh??和Rs?0，太阳能电池可简化为图3所示电路。
这里，I?Iph?Id?Iph?I0(e?U?1)。
在短路时，U?0，Iph?Isc； 而在开路时，I?0，Isc?I0(e?Uoc?1)?0；
?UOC?1ln[Isc?I0?1] （4）
（4）式即为在RSh??和RS?0的情况下，太阳能电池的开路电压UOC和短路电流
ISC的关系式。其中UOC为开路电压，ISC为短路电流，而I0、?是常数。
【实验装置】
光具座及滑块座、具有引出接线的盒装太阳能电池、数字万用表1只（用户自备）、电阻箱1只（用户自备）、白炽灯光源1只（射灯结构，功率40W）、光功率计（带3V直
流稳压电源）、导线若干、遮光罩1个、单刀双掷开关1个。
【实验内容】
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?和I0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，I对U变化关系，画出I~U曲线图。 （3）用外推法求短路电流ISC和开路电压UOC。
（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?Pm/(ISC?UOC)]。
3．测量太阳能电池的光照特性：
在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白炽灯光源20cm水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0；改变太阳能电池到光源的距离x,用光功率计测量x处的光照强度J，求光强J与位置x的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度J/J0不同
值时，相应的ISC和UOC的值。
（1）描绘ISC和相对光强度J/J0之间的关系曲线，求ISC和与相对光强J/J0之间近似关
系函数。
（2）描绘出UOC和相对光强度J/J0之间的关系曲线，求UOC与相对光强度J/J0之间近
似函数关系。
【实验数据表格】
1．在全暗的情况下，测量太阳能电池正向偏压下流过太阳能电池的电流I和太阳能电池的输出电压U 。测量电路如图5所示，改变电阻箱的阻值，用万用表量出各种阻值下太阳能电池和电阻箱两端的电压，算出电流测量结果如表1所示：
表1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
R(k?) U1(V) U2(mV) I(?A) lnI
若用户备有0~3.0V直流可调电源，则可采用图6实验线路：正向偏压在0~3.0V变化条件下，用R?1000?固定电阻取代电阻箱（但电阻值必须准确，否则计算电流值时
将有较大的误差，把测量结果记录到表2中 。
表2 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录
U1(V) U2(mV) I(?A) 由
I?e?U?1，当U较大时，e?U??1，即lnI??U?lnI0由最小二乘法，将表中最后I0几点数据处理得：求出: ?,I0和相关系数r值 。
2.不加偏压，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量太阳能电池的输出I对太阳能电池的输出电压U的关系，测量电路请自拟 。把测量结果记录到表3。
表3 恒定光照下太阳能电池在不加偏压时伏安特性数据记录 R(?)200 300 400 600 800 1000 1200 1400 U1(V) I(mA) P(mW) R(?) 4400 4600 4800 5000 5500 6000 6500 7000 U1(V) I(mA) P(mW)
太阳能电池基本特性的测量（讲义）
