王志軍，李守春，王連元，張金寶

（吉林大學，吉林 長春 130015）

目前，能源問題已經(jīng)成為世界各國經(jīng)濟發(fā)展中亟待解決的問題?！禕P Statistical Review of World Energy 2012》指出［1］：以目前的開采速度計算，全球石油儲量可供生產(chǎn)54.2年，天然氣和煤炭則分別可以供應(yīng)63.6年和112年。隨著一次性能源危機的日益來臨，使人類對可再生能源及清潔新能源的開發(fā)利用有了更大的需求。太陽能因具有清潔、便利、取之不盡、用之不竭、免維護等優(yōu)點，將成為21世紀最有希望的能源之一。據(jù)估計，每年太陽提供給地球的能量為3.2×1024J，大約相當于人類目前消耗能量的10 000倍。如果以光電轉(zhuǎn)換效率為10%的光電器件覆蓋0.1%的地球表面，就足以滿足目前全人類的能源需要［2］。因此，利用太陽能發(fā)電的研究和應(yīng)用，具有重大的社會和經(jīng)濟價值。太陽能電池主要是利用半導體光電材料吸收光能轉(zhuǎn)換為電能來進行發(fā)電的，根據(jù)所用材料的不同，可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池、有機太陽能電池、塑料太陽能電池等［3－5］。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛、效率最高的的太陽能電池。硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。為了使學生更好的理解太陽能電池的原理和性質(zhì)，設(shè)計了硅太陽能電池特性實驗研究的實驗，取得了良好的教學效果。下面具體介紹一下其工作原理及實驗結(jié)果。

1 硅太陽能電池及其特性原理

太陽能電池利用半導體P－N結(jié)受光照射時的光伏效應(yīng)發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面P－N結(jié)，圖1為P－N結(jié)示意圖。

P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結(jié)合在一起形成P－N結(jié)時，N區(qū)的電子（帶負電）向P區(qū)擴散，P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴散，在P－N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P－N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。

當太陽能電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應(yīng)，若將P－N結(jié)兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。

在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實線所示。負載電阻為零時測得的最大電流ISC稱為短路電流。負載斷開時測得的最大電壓VOC稱為開路電壓。

太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負載電阻大小不一樣時，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標，輸出功率為縱坐標，繪出的P－V曲線如圖2點劃線所示。

圖1 半導體P－N結(jié)示意圖 圖2電池的輸出特性

圖2 電池的輸出特性

輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。

填充因子F·F定義為：

填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，一般的硅太陽能電池FF值在0.75～0.8之間。

轉(zhuǎn)換效率ηs定義為：

Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實驗表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時只略微增加。

2 實驗內(nèi)容、數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關(guān)系

打開光源開關(guān)，預熱5min。打開遮光罩，將光功率探頭裝在太陽能電池板位置。由近及遠移動滑動支架，測量距光源一定距離的光強I＝P／S，P為測量到的光功率，S＝0.2cm2為探頭采光面積。測量到的光強記入于表中。

圖3 （A）開路電壓，（B）短路電流與光強關(guān)系測量示意圖

按圖3（A）接線，按測量光強時的距離值（光強已知），記錄開路電壓值。按圖3（B）接線，記錄短路電流值。將單晶硅太陽能電池分別更換為多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池，重復以上測量步驟，并記錄數(shù)據(jù)，見表1。

表1 三種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強變化關(guān)系

圖4 硅太陽能電池短路電流與光強的關(guān)系

圖5 硅太陽能電池開路電壓與光強的關(guān)系曲線

圖4為單晶硅、多晶硅和非晶硅太陽能電池短路電流與光強的關(guān)系曲線圖。從圖中可以看出短路電流Isc隨光強的增大呈線性上升。這其中，多晶硅太陽能電池變化幅度最大，單晶硅太陽能電池幅度稍小而非晶硅太陽能電池短路電流變化最小。當光強為1 028W／m2時短路電流3種太陽能電池分別達到了111.7mA，100.0mA和12.8mA。從數(shù)據(jù)的對比中可以看出：3種太陽能電池短路電流隨光強變化的趨勢是大體相同的，與理論情況是相符的。圖5為單晶硅、多晶硅、非晶硅太陽能電池開路電壓與光強的關(guān)系曲線。從圖中可以看出開路電壓Voc隨光強的增大迅速增大（非線性）。這其中單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池的變化數(shù)值基本相同，當光強為1 028W／m2時，二者的開路電壓均為2.94V。而在相同光照強度下，非晶硅太陽能電池的開路電壓達到了3.88V，比單晶硅與多晶硅太陽能電池高。

圖6 測量太陽能電池輸出特性

2.2 測量太陽能電池輸出特性

按圖6接線，以電阻箱作為太陽能電池負載。在一定光照強度下（將滑動支架固定在導軌上不同位置），分別將3種太陽能電池板安裝到支架上，通過改變電阻箱的電阻值，記錄太陽能電池的輸出電壓V和電流，并計算輸出功率PO＝V×I，見表2。

表2 光強I＝53.7W／m2時3種太陽能電池輸出特性實驗

圖7和圖8分別為3種硅太陽能電池輸出電流與輸出功率隨輸出電壓的變化關(guān)系曲線。從圖中可以看出，單晶硅和多晶硅具有相似的變化關(guān)系，而非晶硅則遠比單晶硅和多晶硅弱得多。由圖8找出最大功率點，分別為8.448、8.51和0.99W，由（1）式計算填充因子分別為0.701、0.535和0.467。由（2）式計算轉(zhuǎn)換效率。入射到太陽能電池板上的光功率Pin＝I光強×S，S為太陽能電池板面積。由測得實驗數(shù)據(jù)計算得出3種太陽能電池板面積分別為：3 585.5、3 580.8和2 504.0mm2。因此3種硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率分別為4.39%，4.43%和0.74%。從此可以看出單晶硅太陽能電池與多晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率相當，非晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率則很低。而由于多晶硅電池成本比單晶硅電池的成本低，因此目前多晶硅太陽能電池占主導地位。而非晶硅太陽能電池雖然轉(zhuǎn)換效率雖然較低，但其成本也非常低廉，而且相同光強下輸出電壓較高，因此目前如何提高非晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是科學界關(guān)心的熱點。

圖7 硅太陽能電池輸出特性關(guān)系

圖8 硅太陽能電池輸出功率關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

測量并分析了單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池光強對其開路電壓與短路電流的影響，并通過測量3種硅太陽能電法的負載輸出伏安特性及輸出功率特性，計算了3種硅太陽能電池的填充因子與轉(zhuǎn)換效率。學生們通過學習硅太陽能電池的原理，測量其基本特性曲線，得出了有意義的結(jié)果，極大地激發(fā)了學生的學習與研究興趣，提高了學生的動手分析、解決問題的能力，拓展了學生的視野。對于學生進一步科研性、創(chuàng)新性實驗的研究奠定了基礎(chǔ)。

［1］BP Statistical Review of World Energy，June 2012.

［2］Graetzel M.Photoelectrochemical cells.Nature.2001，414：338－344.

［3］Geotzberger A，Hebling C，Schock H W，et al.Photovoltaic Materials，History，Status and Outlook.Mater.Sci.Eng.R.2003，40：1－46.

［4］Zhao J H，Wang A H，Green M A.19.8%Efficient“Honeycomb” Textured multi－crystalline and 24.4%Monocrystalline Silicon Solar Cells.Appl.Phys.Lett.1998，73：1991－1993.

［5］王振飛，楊虹.菲涅爾透鏡聚光對光伏發(fā)電效率的實驗研究［J］.大學物理實驗，2012，4：42－44.