太阳能电池基本特性的测量

太阳能电池又称硅光电池，其结构简单，不需要电源，具有重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等优点。它既可以用作为光信号探测器（光电传感器），在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。又能将太阳能转换成电能，如果把许多硅光电池科学地串联或并联起来，可以建成太阳能发电站，为人类更有效地利用太阳能打开新的道路。

通过对太阳能电池基本特性的测量，了解和掌握它的特性和有关的测量方法，并通过它对使用日益广泛的各种光电器件有更深入全面了解。

太阳能电池的主要结构为PN结。根据理论分析，PN结正向偏压下的伏安特性可由下式给出

(1)

式中，为流过PN结的电流，是无光照时的反向饱和电流，V是PN结上的电压，e是电子电荷，k是玻尔兹曼常量，T为热力学温度，n为发射系数，它与PN结的材料结构有关系，其值在1和2之间。

当光照射在太阳能电池表面的PN结上时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则光子将被太阳能电池吸收而产生电子-空穴对。以恒定速率产生的电子-空穴对提供了通过结的电流。太阳能电池输出的净电流I是光生电流和两极管电流之差，即

(2)

填充因子FF是表征太阳能电池质量好坏的一个指标，其可表示为太阳能电池的最大输出功率和与之积的比，即

(3)

其中为太阳能电池的开路电压，为太阳能电池的短路电流。

附接线的盒装太阳能电池、数字式万用电表（3位半）2台、直流稳压电源（0-20V）1台、电阻箱1只、白炽灯1个、光具座1根及配套的底座和支架

1. 粗略测量太阳能电池的开路电压和短路电流（为什么要先粗测？）
2. 在无光照条件下，测量太阳能电池正向偏压时的伏安特性
   • 选择合适的测量范围（如何选择？依据是什么？），仔细测量太阳能电池的正向伏安特性。
   • 利用测得的数据，画出I～V曲线，验证在没有光照情况下太阳能电池的正向偏压与电流之间的经验公式，并求出n值。
3. 在不加偏压及照度为1000Lux的情况下，测量太阳能电池的负载特性。（如使用不同光源，但照度一样时，其短路电流、开路电压是否一样？）
   • 画出测量所用的电路图
   • 当太阳能电池两端开路时，测量其开路电压 。
   • 当太阳能电池两端短路时，测量其短路电流 。
   • 测量不同负载R下，太阳能电池输出电压与输出电流的关系并计算相应的功率P。（如何选择R的范围？）
   • 作P~R关系图，求出太阳能电池的最大功率 及最大输出功率时所对应的负载电阻。
   • 计算填充因子FF。
4. 测量太阳能电池的光照特性。
   • 测量短路电流与入射于太阳能电池上光束光强的变化关系，试分析之。
   • 测量开路电压与入射于太阳能电池上光束光强的变化关系，试分析之。
5. 测量太阳能电池响应函数和禁带宽度
   • 合理利用光源（有白炽灯和汞灯两种光源）以及滤色片（有带通滤色片和高通截止片两种）来设计测量方案。

1. 计算n值应当考虑到哪些因素？
2. 温度会对太阳能电池带来什么影响？
3. 设计一个实验测量光生电流。

1. 杨之昌，马秀芳．物理光学实验．上海：复旦大学出版社．1993．
2. 陆廷济，费定曜，胡德敬．物理实验．上海：同济大学出版社．1991．
3. 曹泽淳，安其霖等．国产太阳能电池参数的研究．应用科学学报，1983．1（3）
4. Adel S.Sedra and Kenneth C.Smith Microeletronic Circuits 3rd ed. CBS College Publishing,New York 1990
5. Mark N.Horenstein Microeletronic Circuits and Devices. 2nd ed. Prentice-Hall Inc, New Jersey 1996