田冰濤 徐正興 劉耀昌 劉萬林 王 穎 吳 斌 陳東生

(上海電力學(xué)院數(shù)理學(xué)院 上海 200090)

1 引言

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置．利用光電效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，光電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池．太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件，是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管，當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí)，光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能，產(chǎn)生電流．影響其功率的外部因素主要有光照強(qiáng)度、光照波長、外界溫度等．

本次試驗(yàn)主要探究光照波長對其功率的影響[1]．

2 實(shí)驗(yàn)原理

實(shí)驗(yàn)裝置是一種可以模擬陽光下太陽能電池板正常工作的儀器．光源采用碘鎢燈，其輸出光譜接近太陽光譜．通過調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變太陽能電池上的光功率．根據(jù)測量裝置上顯示的輸出電流與輸出電壓，可繪制出相應(yīng)的伏安特性曲線．制作不同顏色的濾光片可以改變透射的波長，從而實(shí)現(xiàn)對不同波長光線對應(yīng)的伏安特性曲線的測量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對不同波長對應(yīng)功率的測量[2]．

圖1 測試裝置示意圖

本實(shí)驗(yàn)使用的濾光片為自制濾光片(見圖2)，其目的是為了濾除與彩色玻璃紙顏色不同的光．但由于濾光片的濾光效果及程度不同，不能使透射光波長的范圍限定在標(biāo)準(zhǔn)波長范圍以內(nèi)，還需要對濾光片的透射光成分進(jìn)行分析，以便得出較為準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論[3]．

圖2 自制濾光片(藍(lán)色、紅色、紫色)

本次實(shí)驗(yàn)使用的太陽能電池片為普通單晶硅材質(zhì)的矩形太陽能電池片，采用鋼化玻璃以及防水樹脂進(jìn)行封裝，面積為14 cm2．相比多晶硅和非晶硅電池，單晶硅電池的轉(zhuǎn)化效率最高，實(shí)驗(yàn)效果也相對明顯．一般來說，目前單晶硅電池的響應(yīng)光譜在400 nm到1 100 nm之間，相應(yīng)強(qiáng)度從400 nm至900 nm左右遞增，通常光譜響應(yīng)的最大靈敏度在800 nm到950 nm之間，而繼續(xù)增大波長則響應(yīng)程度遞減．在相同光照強(qiáng)度的情況下，通過不同的濾光片可以達(dá)到測試在不同波長范圍內(nèi)最大功率點(diǎn)的效果．

在太陽能光伏器件的所有性能表征手段中，伏安特性測試是最直觀、最有效、應(yīng)用最廣泛的一種方法．通過測量伏安特性曲線，并進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，可以直接了解到光伏器件的各項(xiàng)物理性能，包括光電轉(zhuǎn)換的效率、填充因子等．這些數(shù)據(jù)可以為光伏器件的研究、質(zhì)檢以及應(yīng)用提供可靠的依據(jù)(見圖3)．

圖3 在一定光照強(qiáng)度下太陽能電池的伏安特性最大功率點(diǎn)(Umax，Imax)

在固定的光照強(qiáng)度下，光電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R．太陽能電池的輸出功率在最佳負(fù)載電阻Rbest時(shí)，達(dá)到最大功率為

Pmax=UmaxImax

(1)

且有

(2)

式(2)中F稱為填充因子．某狀態(tài)下F越大，太陽能電池板的品質(zhì)越高[4]．

波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同．可見光的波長范圍在390～770 nm之間．622～770 nm，感覺為紅色；597～622 nm為橙色；577～597 nm為黃色；492～577 nm為綠色；455～492 nm為藍(lán)靛色；455～390 nm為紫色．不同顏色的光對應(yīng)的能量也不同，根據(jù)光電效應(yīng)，對于光電子的能量Ee，入射光頻率ν，應(yīng)該有以下關(guān)系式成立

面向日益復(fù)雜多樣的環(huán)境問題，西方傳統(tǒng)科學(xué)逐漸形成環(huán)境科學(xué)群，包括環(huán)境自然科學(xué)和環(huán)境社會(huì)科學(xué)兩大類別。McNeill[8]9曾說：“環(huán)境涉及的學(xué)科之多，達(dá)到了知識(shí)追求所能達(dá)到的地步?！痹捳Z理解的多向度本質(zhì)和環(huán)境科學(xué)群的形成決定了環(huán)境話語理解的多向度本質(zhì)和環(huán)境話語研究的多學(xué)科向度。環(huán)境話語研究主要關(guān)涉的環(huán)境分支學(xué)科有生態(tài)語言學(xué)、環(huán)境社會(huì)學(xué)、環(huán)境傳播學(xué)、環(huán)境政治學(xué)、環(huán)境地理學(xué)、環(huán)境史學(xué)等。

Ee=hν

(3)

其中h為普朗克常量，而不同顏色的光具有不同的波長，也意味著有不同的頻率ν和能量hν，內(nèi)部光電子的能量Ee也就不同，所以太陽能電池板的伏安特性曲線也會(huì)隨之發(fā)生改變，最大功率點(diǎn)亦會(huì)偏移．

3 實(shí)驗(yàn)步驟

(1)利用分光光度計(jì)測出各個(gè)濾光片的透射譜．

(2)將裝置電源打開，預(yù)熱3 min．

(3)將不同顏色(紅、黃、藍(lán)、紫)的自制濾光片插入裝置相應(yīng)插槽，調(diào)節(jié)旋鈕，改變輸出電壓U和輸出電流I．

(4)在輸出電壓較小(小于2 V)時(shí)，每變化0.1 V記錄一次數(shù)據(jù)；在輸出電壓較大(大于2 V)時(shí)，每變化0.01 V記錄一次數(shù)據(jù)．

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量及分析

(1)利用分光光度計(jì)測出不同濾光片的透射譜，如圖4所示．基于此圖可以得到如下信息.

圖4 四種不同顏色的濾光片的透射譜

1)紫光濾光片幾乎在被測全波長范圍內(nèi)的透光強(qiáng)度均大于藍(lán)色濾光片的透射光強(qiáng)度；

2)紅色濾光片約在波長大于550 nm的范圍內(nèi)的透射光強(qiáng)度明顯大于藍(lán)色、紫色濾光片，而在小于550 nm的范圍內(nèi)則小于藍(lán)、紫兩種濾光片；

3)黃色濾光片透射光在波長集中在大于500 nm的范圍內(nèi)，且在這一范圍內(nèi)，其光強(qiáng)較其他濾光片最大；但在波長小于500 nm的范圍內(nèi)，其透射光強(qiáng)度則遠(yuǎn)小于其他3種濾光片．

(2)使用太陽能電池特性測試裝置，通過直接測量，可讀出不同濾光片透射情況下的輸出電流和輸出電壓，數(shù)據(jù)見表1．

表1 四種不同顏色濾光片輸出I-U數(shù)據(jù)

由已測得的被測太陽能電池片的面積數(shù)據(jù)，再根據(jù)表中數(shù)據(jù)，采用Origin8.0軟件擬合出不同波長下電池片的J-U圖像(如圖5)，圖中JRed、JYellow、JPurple和JBlue分別表示在同一輸出電壓下，紅色、紫色、藍(lán)色濾光片對應(yīng)的輸出電流密度．

圖5 電池片伏安特性曲線

結(jié)合公式(1)和公式(2)可近似計(jì)算出各波長相應(yīng)的最大功率密度、短路電流和填充因子，如表2所示．

表2 四種不同顏色濾光片對應(yīng)電池的重要參數(shù)

根據(jù)圖5和表2數(shù)據(jù)，可以得到：

1)不同顏色的濾光片對電池的開路電壓和填充因子F幾乎不產(chǎn)生影響；

2)紫色濾光片對應(yīng)的最大功率、短路電流均大于藍(lán)色的濾光片，但小于紅色和黃色濾光片；

3)采用紅色濾光片的太陽能電池最大功率、短路電流大于藍(lán)色和紫色兩種濾光片，小于黃色濾光片；

4)黃色濾光片的測試最大功率和短路電流在4種濾光片中最大．

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上文的對比、分析，可以得出以下結(jié)論：

(1)被測單晶硅材料的電池片對暖色熱光源響應(yīng)明顯，即當(dāng)波長較大的光(如紅、黃光)照射時(shí)，電池片的功率相對較高；而在波長較短的光(如藍(lán)、紫光)范圍內(nèi)響應(yīng)較弱，電池板功率相對較低；

(2)波長較長的光的光強(qiáng)變化對電池片的最大功率影響顯著，而波長較短的光的光強(qiáng)變化對電池片最大功率影響微弱；

(3)不同波長的光主要影響電池片的短路電流密度Jsc的大小，對開路電壓Uoc、填充因子F幾乎沒有影響；

參考文獻(xiàn)

1 李振全，徐云亮,等.幾種太陽能電池組件比功率發(fā)電量的模擬與比較.電工電氣，2010(4):30～32

2 王殿元,王慶凱,等.硅太陽能電池光譜響應(yīng)曲線測定研究性實(shí)驗(yàn).物理實(shí)驗(yàn)，2007,27(9):8～10

3 唐爽，岑剡.利用硅光電池測量單晶硅半導(dǎo)體材料的禁帶寬度.物理實(shí)驗(yàn)，2008,28(11):6～8

4 唐敏，任奇.一種太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤的算法研究.通信電源技術(shù)，2007，24(4):12～17