畢江林，王 威

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) a.信息科學(xué)與工程學(xué)院；b.理學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

1 引 言

太陽(yáng)能是一種具有清潔、巨大、長(zhǎng)久、廣泛等多種優(yōu)點(diǎn)的資源，已成為能源危機(jī)下人類首選的新能源之一. 當(dāng)前，太陽(yáng)能是公認(rèn)的而且容易獲取的綠色資源[1]. 提高太陽(yáng)能電池的效率是開發(fā)和利用太陽(yáng)能的首要任務(wù)[2]. 太陽(yáng)能電池特性的測(cè)量與其開發(fā)和利用有著緊密的聯(lián)系[3]. 目前許多研究主要通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量、運(yùn)用硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀以及運(yùn)用單片機(jī)自動(dòng)測(cè)量等實(shí)驗(yàn)手段對(duì)太陽(yáng)能電池的表征參量進(jìn)行測(cè)量和分析. 硅光電池的溫度特性是指開路電壓、短路電流和溫度的關(guān)系. 由于溫度直接影響光電池儀器的溫度漂移、測(cè)量精度等重要指標(biāo)，因此顯得尤為重要.

本文從硅太陽(yáng)能電池參量及效率的影響因素出發(fā)，運(yùn)用水浴法設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)易的物理實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，對(duì)硅太陽(yáng)能電池的表征參量，如開路電壓、短路電流、填充因子等進(jìn)行了測(cè)量和討論. 水浴法具有使被加熱物體受熱均勻、溫度變化緩慢和易于控制等優(yōu)點(diǎn)，因此在物理實(shí)驗(yàn)中得到了非常廣泛的運(yùn)用，如集成電路溫度傳感器特性測(cè)量，用電勢(shì)差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)等實(shí)驗(yàn)[3]. 本實(shí)驗(yàn)裝置采用水浴法，可以使太陽(yáng)能電池受熱均勻. 在加熱過(guò)程中，水溫變化緩慢，易于實(shí)驗(yàn)操作和控制. 此外，水浴法的上限溫度為100 ℃，可防止加熱系統(tǒng)失控時(shí)溫度過(guò)高對(duì)太陽(yáng)能電池造成損壞，從而獲得安全、穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)原理

太陽(yáng)能電池工作原理是基于光伏效應(yīng). 光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的不同部位之間產(chǎn)生電位差. 太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體pn結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在pn結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流.

2.2 太陽(yáng)能電池的表征參量

1) 開路電壓

在光照條件下，太陽(yáng)能電池在兩端開路時(shí)的輸出電壓值.

2) 短路電流

Isc=Iph=SL.

太陽(yáng)能電池置于光照條件下，當(dāng)輸出端短路時(shí)，流過(guò)太陽(yáng)能電池兩端的電流. 該電流與開路電壓同為測(cè)量太陽(yáng)能電池性能和轉(zhuǎn)化效率的基本參量.

3) 最大輸出功率

Pm=VmIm.

改變負(fù)載電阻值，使輸出電壓和電流的乘積最大時(shí)獲得的輸出功率.

4) 填充因子

太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比. 它體現(xiàn)太陽(yáng)能電池輸出功率隨負(fù)載變動(dòng)的特性，是衡量太陽(yáng)能電池輸出特性的重要指標(biāo).

上面各式中：e為電子電荷；Iph為光電流；Is為反向飽和電流；k為玻耳茲曼常量；T為工作絕對(duì)溫度；S為光電流靈敏度；Vm最佳工作電壓；Im最佳工作電流；L為入射光強(qiáng)度.

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能電池環(huán)境溫度特性探究裝置主要由實(shí)驗(yàn)光源、太陽(yáng)能電池板加熱控制系統(tǒng)和測(cè)量電路3部分組成.

1)實(shí)驗(yàn)光源

白熾燈的光色和集光性能好，是應(yīng)用最廣泛的電光源. 并且，白熾燈的光色最接近于太陽(yáng)光色. 故實(shí)驗(yàn)采用白熾燈作為實(shí)驗(yàn)光源照射電池板. 白熾燈的功率為5 W. 光源與電池板的距離為25 cm.

2)電池板環(huán)境溫度控制系統(tǒng)

電池板環(huán)境溫度控制系統(tǒng)由溫度傳感器、控制器、溫度計(jì)、鐵架臺(tái)、磁性攪拌器等部件組成. 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 該裝置可以實(shí)現(xiàn)0～80 ℃

(a)主視圖

(b)俯視圖 圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

的測(cè)量環(huán)境. 加熱反饋控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、控制器和加熱管. 通過(guò)控制器設(shè)定加熱溫度，當(dāng)水溫達(dá)到預(yù)設(shè)溫度時(shí)，控制器使加熱管停止工作. 該反饋控制系統(tǒng)可達(dá)到粗略控制水溫和安全實(shí)驗(yàn)的目的. 在加熱過(guò)程中，磁性攪拌器持續(xù)旋轉(zhuǎn)，攪拌水箱中的水，以保證溫度均勻. 此外，由于水加熱時(shí)，水溫有緩沖，因此，在水箱中插入溫度計(jì)(精度為0.02 ℃)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫的變化. 調(diào)節(jié)控制器上的加熱功率控制旋鈕來(lái)減小水溫緩沖作用，從而獲得精確穩(wěn)定的水溫. 根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)水溫變化時(shí)，水箱和電池板將進(jìn)行熱傳導(dǎo). 由于水溫對(duì)電池板的影響遠(yuǎn)大于室內(nèi)環(huán)境溫度對(duì)電池板的影響. 因此，水箱內(nèi)水溫可視為電池板的環(huán)境溫度.

3)測(cè)量電路

綜合考慮成本和實(shí)驗(yàn)的便捷，實(shí)驗(yàn)電路采用10 kΩ的定值電阻、最大阻值為9 999.99 Ω的變阻箱和單刀雙擲開關(guān)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池負(fù)載阻值0～20 kΩ的變化. 通過(guò)另一單刀雙擲開關(guān)，可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)開路電壓和短路電流的測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)電路圖如圖2所示.

圖2 實(shí)驗(yàn)電路圖

2.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1) 組建裝置，將水箱裝滿冰水混合物，此時(shí)硅太陽(yáng)能電池的環(huán)境溫度為0 ℃.

2) 通過(guò)溫度計(jì)密切觀察水溫的變化. 水溫每升高10 ℃，等待片刻，待電池板充分受熱后，測(cè)定各參量. 繼續(xù)加熱，直至水溫達(dá)到80 ℃.

3) 快速攪拌，使水箱中的水溫下降. 水溫每下降10 ℃時(shí)，等待片刻，待電池板充分散熱后，測(cè)定各參量. 繼續(xù)散熱，直至水溫達(dá)到0 ℃.

3 數(shù)據(jù)處理分析

3.1 環(huán)境溫度對(duì)開路電壓和短路電流的影響

實(shí)驗(yàn)中，分別測(cè)定升溫和降溫過(guò)程中，相同環(huán)境溫度下的開路電壓、短路電流的平均值作為最終測(cè)量值，得到開路電壓、短路電流隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系曲線，如圖3所示.

圖3 開路電壓、短路電流與環(huán)境溫度的變化曲線

由圖3可知，開路電壓隨環(huán)境溫度的升高而降低，而短路電流隨環(huán)境溫度的升高而增大. 溫度每升高10 ℃，開路電壓下降0.176～0.230 V；短路電流上升8～12 μA. 運(yùn)用最小二乘法擬合，可以得到開路電壓和環(huán)境溫度的關(guān)系式：U=-0.199t+4.942；短路電流和環(huán)境溫度的關(guān)系式：I=10.110t+118.901. 由以上分析可以看出，開路電壓和短路電流與環(huán)境溫度都滿足線性關(guān)系[6].

硅太陽(yáng)能電池伏安特性曲線常被用來(lái)研究硅太陽(yáng)能電池電阻的變化規(guī)律，涉及太陽(yáng)能運(yùn)用中系統(tǒng)集成和電路穩(wěn)定性等多方面因素. 圖4是不同溫度下，硅太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線.

圖4 硅太陽(yáng)能電池的伏安特性曲線

由圖4可知，隨環(huán)境溫度的升高，短路電流增大，而開路電壓減小.

3.2 環(huán)境溫度對(duì)最大輸出功率的影響

逐漸增大太陽(yáng)能電池的負(fù)載電阻值. 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，環(huán)境溫度每升高10 ℃，最大輸出功率減小5.22～38.77 μW，最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻減小19 250～24 750 Ω. 不同環(huán)境溫度下，負(fù)載電阻和輸出功率的關(guān)系曲線如圖5所示.

圖5 不同溫度下負(fù)載和功率的變化曲線

由圖5可以看到，隨著環(huán)境溫度升高，最大輸出功率逐漸減小，最大輸出功率對(duì)應(yīng)的負(fù)載阻值也減小.

3.3 溫度對(duì)填充因子的影響

圖6表示環(huán)境溫度t與填充因子FF的關(guān)系曲線. 從圖中可以看到填充因子隨環(huán)境溫度的升高而明顯降低. 這表明硅太陽(yáng)能電池對(duì)光的利用率隨溫度的升高而降低.

圖6 填充因子與環(huán)境溫度變化曲線

從理論上分析，開路電壓、短路電流和填充因子都是由于溫度的升高使半導(dǎo)體材料的特性發(fā)生變化，電子和空穴的擴(kuò)散和漂移加劇，尤其是遷移率隨溫度線性增長(zhǎng)，使得半導(dǎo)體中的復(fù)合加快，載流子特征壽命降低，從而在pn結(jié)兩端收集到的載流子數(shù)量減少[7]. 因此，隨溫度的升高，開路電壓和填充因子降低，而短路電流升高，和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用水浴法研究環(huán)境溫度對(duì)硅太陽(yáng)能電池的開路電壓、短路電流及填充因子等表征參量的影響. 研究結(jié)果表明，開路電壓、短路電流與環(huán)境溫度變化呈線性關(guān)系. 環(huán)境溫度較低時(shí)，有助于硅光電池獲得更大的輸出功率和填充因子. 文獻(xiàn)[8]運(yùn)用半導(dǎo)體制冷原理，對(duì)硅太陽(yáng)能電池的溫度特性進(jìn)行了研究. 與文獻(xiàn)[8]相比，本文的實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單，操作方便，通過(guò)溫控系統(tǒng)也可以獲得穩(wěn)定的溫度，得到的實(shí)驗(yàn)規(guī)律正確，結(jié)果可靠.

參考文獻(xiàn)：

[1] 王政，郭山河，魏東東. 基于太陽(yáng)能電池和超級(jí)電容的充電系統(tǒng)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2012，32(10)：42-44.

[2] 王殿元，王慶凱，彭丹,等. 硅太陽(yáng)能電池光譜響應(yīng)曲線測(cè)定研究性實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2007，27(9)：8-10.

[3] 魏宇星，張健男，劉平洋,等. 太陽(yáng)能電池特性的自動(dòng)測(cè)量[J]. 物理與工程，2011，21(6)：25-28.

[4] 孫維民，宋大毅，姜源，等. 物理實(shí)驗(yàn)教程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011：112-214，224-227.

[5] 石星軍. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：203-207.

[6] 張瑋，楊景發(fā)，閆其庚. 硅光電池特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2009，26(9)：42-46.

[7] 秦紅，沈輝，張仁元，等. 溫度對(duì)太陽(yáng)能電池效率的影響及改善方法分析[A]. 第八屆光伏論文集[C]. 20.

[8] 楊景發(fā)，王娜，國(guó)唯唯，等. SI太陽(yáng)能電池溫度特性測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)儀器儀表，2012，(7)：54-57.