太陽能電池特性的研究——一項(xiàng)有意義的創(chuàng)新研究實(shí)驗(yàn)

楊詩晨 劉 燦 徐鐵鋼

（1長郡中學(xué)高二年級組，湖南 長沙 410000；2中南大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心，湖南 長沙 410083；3湖南省長郡中學(xué)，物理教研室，湖南 長沙 410000）

1 太陽能電池

全球面臨能源短缺，目前根據(jù)已被科學(xué)家探明能源儲(chǔ)量的情況是：石油可用40年左右；煤可用120年左右；天然氣可用60年左右．并且火力發(fā)電使用燃煤污染環(huán)境，也迫使人們?nèi)グl(fā)現(xiàn)和探索清潔能源的開發(fā)利用．

太陽能發(fā)電成為光伏產(chǎn)業(yè)最主要的組成部分．太陽能光伏發(fā)電是可以預(yù)見的清潔能源利用的最好方案．太陽能發(fā)電靠的是太陽能電池，太陽能電池又稱為“太陽能芯片”或“光電池”，它是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置．只要被光照到，瞬間就可輸出電壓及電流．

目前太陽能電池主要是硅晶體電池即單晶硅、多晶硅、非晶硅三種類型電池．

光伏效應(yīng)的基本原理：太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)大面積平面P－N結(jié)，這個(gè)結(jié)構(gòu)類似于晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，單個(gè)太陽能電池單元的P－N結(jié)面積已遠(yuǎn)大于普通的二極管．圖1為P－N結(jié)示意圖．

圖1 半導(dǎo)體P－N結(jié)示意圖

當(dāng)P－型和N－型硅晶體半導(dǎo)體材料結(jié)合在一起時(shí)，由于P－型半導(dǎo)體多空穴，N－型半導(dǎo)體多自由電子，在界面處出現(xiàn)了濃度差．N－區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到P－區(qū)，P－區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到N－區(qū)，這樣會(huì)在交界面區(qū)域形成一個(gè)特殊的薄層，即空間電荷區(qū)也稱勢壘電場．空間電荷區(qū)存在一個(gè)從N－區(qū)指向P－區(qū)的內(nèi)建電場阻止擴(kuò)散進(jìn)行，內(nèi)建電場與半導(dǎo)體內(nèi)的擴(kuò)散達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層，這就是P－N結(jié)．

當(dāng)光照射P－N結(jié)上時(shí)，如果入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度（Eg），就會(huì)在半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生大量的自由載流子－空穴和電子．它們在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，空穴往P－區(qū)移動(dòng)，使P－區(qū)獲得附加正電荷；而電子往N－型區(qū)移動(dòng)，N－區(qū)獲得負(fù)電荷，產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢，這就是光伏效應(yīng)．當(dāng)用導(dǎo)線連接P－型區(qū)和N－型區(qū)兩端時(shí)，就會(huì)形成電流，從而向負(fù)載提供電能．

太陽能電池（也稱光伏電池）的主要性能參數(shù)有開路電壓Voc、短路電流Isc、最大輸出功率Pmax、填充因子F．F、能量轉(zhuǎn)換效率ηs（%），其中填充因子F．F和轉(zhuǎn)換效率最能反映出太陽能電池性能優(yōu)劣程度，其值越大，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高．

填充因子和轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算公式分別是：

其中，Pin＝SI，S是太陽能電池有效面積．

我們對目前市場出現(xiàn)的三種硅晶體太陽能電池從三個(gè)方面進(jìn)行了研究和探討，并設(shè)計(jì)了三個(gè)最能反映太陽能電池性能的實(shí)驗(yàn)來測試其性能：

2 硅晶太陽能電池的暗伏安特性研究

暗伏安特性是指無光照射時(shí)，通過太陽能電池的電流與外加電壓之間的關(guān)系．

測試原理圖如圖2所示．將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串聯(lián)進(jìn)電路起保護(hù)作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流（表1為暗伏安特性測量數(shù)據(jù)）．

圖2 暗伏安特性測試電路

表1 三種太陽能電池的暗伏安特性

圖3 伏安特性曲線

太陽能電池的暗伏安特性曲線（圖3）表明，在無光條件下，太陽能電池的暗伏安特性與一般二極管類似，在達(dá)到開啟電壓前電流變化很小，一旦大于開啟電壓，單晶硅和多晶硅太陽能電池的電流便迅速增大，但非晶硅電池的正向?qū)娏鬏^低，并沒有產(chǎn)生較大電流．

3 硅晶電池開路電壓、短路電流與光強(qiáng)照射關(guān)系的研究

光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜．調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光強(qiáng)，具體數(shù)值由光強(qiáng)探頭測量．測試儀為實(shí)驗(yàn)室提供的電源，同時(shí)可以測量并顯示電流、電壓、以及光強(qiáng)的數(shù)值，測量結(jié)果見表2和圖4．

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，單晶硅、多晶硅電池的短路電流隨著光強(qiáng)的增加而增長的速度明顯高于非晶硅，這說明單晶硅、多晶硅電池在相同光照下產(chǎn)生電流的能力優(yōu)于非晶硅電池．

表2 三種太陽能電池開路電壓與短路電流隨光強(qiáng)變化關(guān)系

圖4 測量結(jié)果

4 硅晶電池輸出特性實(shí)驗(yàn)的研究

表3與圖5為實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 三種太陽能電池輸出特性實(shí)驗(yàn)光源距離＝30cm，S＝0．003m2，光強(qiáng)I＝127W·m－2

續(xù)表

圖5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 綜合計(jì)算對比結(jié)果

從表3和圖5可知，單晶硅、多晶硅電池在相同條件下產(chǎn)生的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非晶硅，且由計(jì)算可知單晶硅、多晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率也大于非晶硅電池轉(zhuǎn)換效率（表4）．

表4 對比結(jié)果

從另一角度看，開發(fā)太陽能電池的兩個(gè)關(guān)鍵問題就是：提高轉(zhuǎn)換效率和降低成本．單晶硅電池制作需消耗大量高純度硅材料，制作工藝復(fù)雜，多晶硅電池制作成本相對低廉，工藝也相對簡單，又無效率衰退問題；在一般光照情況下多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率和單晶硅相差不遠(yuǎn)，所以筆者認(rèn)為多晶硅薄膜電池將成為占據(jù)太陽能電池市場的主要產(chǎn)品．

太陽能光伏發(fā)電在不遠(yuǎn)的將來會(huì)占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且將成為世界能源供應(yīng)的主體．據(jù)世界能源組織預(yù)計(jì)：到2030年，可再生能源在總能源結(jié)構(gòu)中將占到30%以上，而太陽能光伏發(fā)電在世界總電力供應(yīng)中的占比也將達(dá)到10%以上；到2040年，可再生能源將占總能耗的50%以上，太陽能光伏發(fā)電將占總電力的20%以上；到21世紀(jì)末，可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中將占到80%以上，太陽能發(fā)電將占到60%以上．這些數(shù)字足以顯示出太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景及其在能源領(lǐng)域重要的戰(zhàn)略地位，由此可以看出，太陽能電池市場前景廣闊，而光伏發(fā)電離不開太陽能電池，選擇性價(jià)比好的太陽能電池是光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容．

［1］ 徐富新，劉碧蘭．大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］．長沙：中南大學(xué)出版社，2013．

［2］ 茅傾青．太陽能電池基本特性測定實(shí)驗(yàn)［J］．物理實(shí)驗(yàn)，2004（11）：6－8，11．

［3］ 林明獻(xiàn)．太陽能電池新技術(shù)［M］．北京，科學(xué)出版社，2010．

［4］ 格林．太陽能電池工作原理、技術(shù)和系統(tǒng)應(yīng)用［M］．上海，上海交通大學(xué)出版社，2010．