肖文波，顏 超，張華明，王 慶

（南昌航空大學(xué) 大學(xué)物理教研部，江西 南昌 330063）

拓展太陽能光伏電池特性綜合實(shí)驗(yàn)的教學(xué)探索

肖文波，顏 超，張華明，王 慶

（南昌航空大學(xué) 大學(xué)物理教研部，江西 南昌 330063）

太陽能電池基本特性測(cè)定是目前大學(xué)開設(shè)的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，其主要是對(duì)電池的伏安特性作初步的分析和研究．為了拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的綜合知識(shí)能力，本文借助光伏效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀，設(shè)計(jì)并開展了評(píng)價(jià)光伏電池內(nèi)部性能的串聯(lián)電阻等5個(gè)特征參數(shù)提取實(shí)驗(yàn)．結(jié)果表明，溫度變化對(duì)電池電流影響小，而對(duì)電壓影響大；此外，還發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)電池串聯(lián)電阻影響最小，而對(duì)反向飽和電流影響劇烈．該實(shí)驗(yàn)不僅可以幫助學(xué)生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對(duì)溫度的依賴關(guān)系，更重要是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解光伏電池內(nèi)部本征參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力．

光伏電池；內(nèi)部參數(shù)提??；溫度效應(yīng)

光伏發(fā)電是新能源與可再生能源發(fā)展的重要領(lǐng)域，因此許多國家重視光伏電池相關(guān)領(lǐng)域的研究．為此，許多高校在物理實(shí)驗(yàn)或?qū)I(yè)實(shí)驗(yàn)中開設(shè)了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，且具有新穎性和實(shí)用價(jià)值［1］．這些光伏電池特性實(shí)驗(yàn)，包括設(shè)計(jì)新型電池并對(duì)其光電性質(zhì)研究［2］，電池的光譜特性研究［3］，電池的輸出功率與負(fù)載匹配特性研究［4］，電池的短路電流等隨光強(qiáng)變化規(guī)律研究［5，6］．但這些開設(shè)的光伏電池相關(guān)實(shí)驗(yàn)大都是單一的、以演示和驗(yàn)證為主的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式［7-9］．這些實(shí)驗(yàn)沒有開展評(píng)價(jià)光伏電池內(nèi)部性能的特征參數(shù)研究，尤其是針對(duì)光伏電池等效電路內(nèi)部串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、光生電流、理想因子、反向飽和電流等5個(gè)參數(shù)的研究．為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一套拓展太陽能光伏電池特性綜合實(shí)驗(yàn)，目的是幫助學(xué)生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對(duì)溫度的依賴關(guān)系；更重要的是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理的方法學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解光伏電池內(nèi)部光生電流等5個(gè)本征參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律.

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及測(cè)試內(nèi)容

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是采用成都世紀(jì)中科儀器有限公司生產(chǎn)的ZKY-SAC-Ⅲ太陽能光伏電池測(cè)量系統(tǒng)，見圖1．系統(tǒng)包括：太陽能光伏電池測(cè)試儀、氙燈電源、氙燈光源和電池片．實(shí)驗(yàn)操作和顯示由計(jì)算機(jī)軟件完成．測(cè)量對(duì)象是28 mm×25 mm單體單晶硅光伏電池（QSSolar公司生產(chǎn)GX型）的I-V曲線．測(cè)試系統(tǒng)中太陽模擬器、樣品和控溫設(shè)備封閉在一暗箱中；模擬太陽光垂直入射到樣品表面，樣品溫度通過半導(dǎo)體制冷貼片變溫，變溫精度為±0．1℃．具體測(cè)量包括：光強(qiáng)為1 000．02 W／m2，溫度分別為 10℃、20℃、30℃時(shí)的I-V曲線．

圖1　測(cè)量設(shè)備

2 提取參數(shù)理論依據(jù)

在恒定光照下光伏電池等效電路如圖2所示，根據(jù)固體物理學(xué)和電子學(xué)理論可得光伏電池電流電壓（I-V）輸出方程［10］：

式中，I為電池輸出電流；Iph為電池光生電流；I0為電池反向飽和電流（電流單位為A）；V為電池輸出電壓（單位V）；Rs為電池串聯(lián)電阻（單位Ω）；n為電池理想因子；Vth是熱電壓常數(shù)；Rsh為電池并聯(lián)電阻（單位Ω）.

圖2　光伏電池等效電路

首先，根據(jù)短路電流點(diǎn)（Isc，0）和開路電壓點(diǎn)（0，Voc），將式（1）變化為僅含電池串聯(lián)電阻、理想因子以及并聯(lián)電阻的解析方程式；并獲得光生電流和反向飽和電流解析表達(dá)式，分別為：

其次，利用光伏電池并聯(lián)電阻遠(yuǎn)大于串聯(lián)電阻、電池光生電流遠(yuǎn)大于反向飽和電流以及電池光生電流近似等于短路電流3個(gè)邊界條件，將短路情況及開路情況下光伏電池電流電壓輸出方程式（1）的一階微分求導(dǎo)方程約化為：

最后，將電池在最大功率點(diǎn)處電流電壓值（Vm，Im）代入電池解析方程式（2），可得

由式（5）—式（7）3個(gè)封閉方程組，根據(jù)測(cè)量的電池光照下伏安特性曲線及其數(shù)值微分特征，解析出電池理想因子、并聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻3個(gè)電池內(nèi)部參數(shù)值.將得出的結(jié)果代入式（3）和式（4）中，求出光伏電池光生電流和反向飽和電流值2個(gè)電池內(nèi)部參數(shù)值.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

圖3是不同溫度下的實(shí)驗(yàn) I-V數(shù)據(jù)和擬合曲線.由圖中我們可以看出，溫度對(duì)電池輸出特性影響明顯；溫度越高，開路電壓越小，而短路電流幾乎沒有改變；原因是短路電流與入射光強(qiáng)幾乎成正比，當(dāng)光強(qiáng)沒有改變的時(shí)候，短路電流幾乎不改變；而開路電壓主要由器件的禁帶寬度影響，溫度升高后，熱電子激發(fā)增多，禁帶寬度減少［11］.

圖3　不同溫度下的實(shí)驗(yàn)I-V數(shù)據(jù)和擬合曲線

圖4是提取出的5個(gè)參數(shù)隨溫度的變化．從圖4（a）可以看出光生電流隨溫度的增加而增加；原因是溫度升高導(dǎo)致熱電子激發(fā)增多照成的．且注意到光生電流是從0．027 4 A增加到0．028 3 A，增長(zhǎng)了大約3%．這種變化相對(duì)于溫度增加200%來說相當(dāng)?。贿@也說明溫度的變化對(duì)電流影響很?。畯亩g接證明了上面短路電流幾乎不隨溫度變化的結(jié)果．從圖4（b）與圖4（c）可以看出，溫度的變化對(duì)電池的串并聯(lián)電阻、理想因子與反向飽和電流都有影響；并聯(lián)電阻、串聯(lián)電阻、理想因子與反向飽和電流的變化幅度分別約為：199%，1．2%，6．9%，439%．這說明溫度對(duì)串聯(lián)電阻影響最小，原因在于串聯(lián)電阻主要由器件本征電阻決定［12］．其次，注意到反向飽和電流的變化幅度隨溫度變化最劇烈，原因是溫度升高導(dǎo)致熱激發(fā)增多后，復(fù)合也增加明顯所致．

圖4　提取出的5個(gè)參數(shù)隨溫度的變化

圖5是實(shí)驗(yàn)與計(jì)算得到的電池填充因子和效率隨溫度的變化．從圖中首先可以看出，無論是填充因子還是效率實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果都比較復(fù)合，誤差都是在2%以內(nèi)．這說明上述理論提取參數(shù)過程是正確的．其次，可以看出電池填充因子與效率隨溫度的變化都是先上升然后下降，原因在于電池溫度略微增加的時(shí)候，熱電子增多，電流增加，從而導(dǎo)致填充因子與效率增加；而當(dāng)溫度進(jìn)一步增加的時(shí)候，半導(dǎo)體禁帶寬度會(huì)隨溫度上升而明顯減小，電壓下降劇烈，所以電池填充因子與效率隨后隨溫度上升而明顯下降［13］．

圖5　實(shí)驗(yàn)與計(jì)算得到的電池填充因子（FF）和效率（η）隨溫度的變化

4 教學(xué)效果

拓展太陽能光伏電池特性綜合實(shí)驗(yàn)的開設(shè)收到了良好的教學(xué)效果．效果主要有：1）學(xué)生普遍認(rèn)為題目緊跟科研與實(shí)際應(yīng)用，所以學(xué)生學(xué)習(xí)興趣明顯增強(qiáng)，參與實(shí)驗(yàn)的主動(dòng)性提高；2）實(shí)驗(yàn)的開展培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，把他們學(xué)習(xí)過的半導(dǎo)體物理知識(shí)、大學(xué)物理知識(shí)應(yīng)用到解決實(shí)際工程問題上面來；3）實(shí)驗(yàn)的開展加強(qiáng)了學(xué)生matlab編程技能在面向工程應(yīng)用時(shí)候的能力，以及相關(guān)的創(chuàng)新能力，真正做到學(xué)以致用；4）學(xué)生在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的小組交流學(xué)習(xí)和討論過程中，加強(qiáng)了分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生團(tuán)結(jié)協(xié)作的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，且知識(shí)面也得到了擴(kuò)展．

5 結(jié)束語

光伏電池特性的開發(fā)和利用與當(dāng)前的能源發(fā)展緊密相關(guān)．本實(shí)驗(yàn)從物理角度拓展光伏電池特性綜合實(shí)驗(yàn)，它不僅幫助學(xué)生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對(duì)溫度的依賴關(guān)系；更重要是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與處理方法的學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生理解光伏電池內(nèi)部本征參數(shù)光生電流等5個(gè)電性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律．總之，該實(shí)驗(yàn)的開展有利于學(xué)生掌握基本的知識(shí)及實(shí)驗(yàn)方法，以及這些基本方法在科學(xué)研究中的應(yīng)用．

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Teaching exploration of expanding comprehensive experiment of photovoltaic cell

XIAO Wen-bo，YAN Chao，ZHANG Hua-ming，WANG Qin
（The Center of University Physics Experiment Teaching，Nanchang Hangkong University，Nanchang，Jiangxi 330063，China）

The measuring electrical characteristics of solar cells are now routine experimentation in all university．The main content is a preliminary analysis and research of I-V characteristics．In order to expand the experiment content and further develop student’s ability，a new experiment is designed．In the new experiment，the five solar cell internal parameters（series resistance etc．）which can be used to evaluate the cell’s performance，are extracted．The results show that the cell’s current depends on the temperature weaker than its voltage．In addition，it is found that the temperature has minimal impact on the cell’s series resistance and a maximum impact on the cell’s reverse saturation current．This experiment can not only help students to master I-V characteristics and its temperature dependence，but also help students understand the temperature dependence of photovoltaic cell interior intrinsic parameters．This experiment can also cultivate students’ability to analyze and solve problems．

photovoltaic cells；internal parameter extraction；temperature effect

TM 914．4

A

1000-0712（2016）10-0039-03

2015-12-02；

2016-03-04

江西省青年科學(xué)基金（20143ACB21011）、江西省發(fā)明專利產(chǎn)業(yè)化技術(shù)示范基金（20143BBM26116）、高等學(xué)校計(jì)算物理課程教學(xué)研究項(xiàng)目（JZW-15-JW-02）、江西省教育廳科技項(xiàng)目（GJJ150729）以及南昌航空大學(xué)教改課題（JY1460）資助

肖文波（1975—），男，江西南昌人，南昌航空大學(xué)大學(xué)物理教研部副教授，博士，主要從事大學(xué)物理教學(xué)及半導(dǎo)體光電檢測(cè)研究工作．