拓展太陽能光伏電池特性綜合實驗的教學探索

肖文波，顏 超，張華明，王 慶

（南昌航空大學 大學物理教研部，江西 南昌 330063）

拓展太陽能光伏電池特性綜合實驗的教學探索

肖文波，顏 超，張華明，王 慶

（南昌航空大學 大學物理教研部，江西 南昌 330063）

太陽能電池基本特性測定是目前大學開設的常規(guī)實驗，其主要是對電池的伏安特性作初步的分析和研究．為了拓展實驗內容，進一步培養(yǎng)學生的綜合知識能力，本文借助光伏效應實驗儀，設計并開展了評價光伏電池內部性能的串聯(lián)電阻等5個特征參數(shù)提取實驗．結果表明，溫度變化對電池電流影響小，而對電壓影響大；此外，還發(fā)現(xiàn)溫度變化對電池串聯(lián)電阻影響最小，而對反向飽和電流影響劇烈．該實驗不僅可以幫助學生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對溫度的依賴關系，更重要是通過實驗數(shù)據(jù)分析與處理學習，幫助學生理解光伏電池內部本征參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力．

光伏電池；內部參數(shù)提?。粶囟刃?/p>

光伏發(fā)電是新能源與可再生能源發(fā)展的重要領域，因此許多國家重視光伏電池相關領域的研究．為此，許多高校在物理實驗或專業(yè)實驗中開設了相關的實驗內容，目的是激發(fā)學生的學習興趣，且具有新穎性和實用價值［1］．這些光伏電池特性實驗，包括設計新型電池并對其光電性質研究［2］，電池的光譜特性研究［3］，電池的輸出功率與負載匹配特性研究［4］，電池的短路電流等隨光強變化規(guī)律研究［5，6］．但這些開設的光伏電池相關實驗大都是單一的、以演示和驗證為主的傳統(tǒng)實驗教學模式［7-9］．這些實驗沒有開展評價光伏電池內部性能的特征參數(shù)研究，尤其是針對光伏電池等效電路內部串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、光生電流、理想因子、反向飽和電流等5個參數(shù)的研究．為此，我們設計了一套拓展太陽能光伏電池特性綜合實驗，目的是幫助學生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對溫度的依賴關系；更重要的是通過實驗數(shù)據(jù)分析與處理的方法學習，幫助學生理解光伏電池內部光生電流等5個本征參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律.

1 實驗系統(tǒng)及測試內容

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

圖1　測量設備

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)固體物理學和電子學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（Isc，0）和開路電壓點（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式，分別為：

其次，利用光伏電池并聯(lián)電阻遠大于串聯(lián)電阻、電池光生電流遠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）的一階微分求導方程約化為：

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

由式（5）—式（7）3個封閉方程組，根據(jù)測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個電池內部參數(shù)值.將得出的結果代入式（3）和式（4）中，求出光伏電池光生電流和反向飽和電流值2個電池內部參數(shù)值.

3 實驗結果與討論

圖3是不同溫度下的實驗 I-V數(shù)據(jù)和擬合曲線.由圖中我們可以看出，溫度對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幾乎成正比，當光強沒有改變的時候，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　不同溫度下的實驗I-V數(shù)據(jù)和擬合曲線

圖4是提取出的5個參數(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，增長了大約3%．這種變化相對于溫度增加200%來說相當??；這也說明溫度的變化對電流影響很?。畯亩g接證明了上面短路電流幾乎不隨溫度變化的結果．從圖4（b）與圖4（c）可以看出，溫度的變化對電池的串并聯(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，原因是溫度升高導致熱激發(fā)增多后，復合也增加明顯所致．

圖4　提取出的5個參數(shù)隨溫度的變化

圖5是實驗與計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驗結果與理論計算結果都比較復合，誤差都是在2%以內．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候，熱電子增多，電流增加，從而導致填充因子與效率增加；而當溫度進一步增加的時候，半導體禁帶寬度會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　實驗與計算得到的電池填充因子（FF）和效率（η）隨溫度的變化

4 教學效果

拓展太陽能光伏電池特性綜合實驗的開設收到了良好的教學效果．效果主要有：1）學生普遍認為題目緊跟科研與實際應用，所以學生學習興趣明顯增強，參與實驗的主動性提高；2）實驗的開展培養(yǎng)了學生理論聯(lián)系實際的能力，把他們學習過的半導體物理知識、大學物理知識應用到解決實際工程問題上面來；3）實驗的開展加強了學生matlab編程技能在面向工程應用時候的能力，以及相關的創(chuàng)新能力，真正做到學以致用；4）學生在實驗結果的小組交流學習和討論過程中，加強了分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學生團結協(xié)作的團隊意識和嚴謹求實的科學態(tài)度，且知識面也得到了擴展．

5 結束語

光伏電池特性的開發(fā)和利用與當前的能源發(fā)展緊密相關．本實驗從物理角度拓展光伏電池特性綜合實驗，它不僅幫助學生掌握光伏電池的I-V特性及I-V特性對溫度的依賴關系；更重要是通過實驗數(shù)據(jù)分析與處理方法的學習，幫助學生理解光伏電池內部本征參數(shù)光生電流等5個電性參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律．總之，該實驗的開展有利于學生掌握基本的知識及實驗方法，以及這些基本方法在科學研究中的應用．

［1］ 高惠平，田建軍，張振龍，等．太陽能光伏發(fā)電綜合設計性實驗教學探索［J］．實驗科學與技術，2015，13（1）：100-102．

［2］ 呂孝鵬，鄧雅麗，許元鮮，等．石墨烯／硅肖特基太陽能電池的光電特性［J］．物理實驗，2013，33（5）：1-4．

［3］ 王殿元，王慶凱，彭丹，等．硅太陽能電池光譜響應曲線測定研究性實驗［J］．物理實驗，2007，27（9）：8-10．

［4］ 郭陽雪，孔祥洪，楊渭，等．硅太陽能電池輸出功率與負載匹配特性［J］．實驗室研究與探索，2011，30（7）：20-22．

［5］ 茅傾青，潘立棟，陳駿逸，等．太陽能電池基本特性測定實驗［J］．物理實驗，2004，24（11）：6-8．

［6］ 姜琳．太陽能電池基本特性測定實驗——一個與能源利用有關的綜合設計性實驗［J］．大學物理，2005，24（6）：52-55．

［7］ 周朕，盧佃清，史林興．硅光電池特性研究［J］．實驗室研究與探索，2011，30（11）：36-39．

［8］ 師青梅，皮 偉．基于虛擬儀器技術的太陽能電池實驗教學創(chuàng)新［J］．實驗技術與管理，2013，30（2）：94-96．

［9］ 陳建，張月蘭，鐘菊花，等．太陽能電池特性實驗中的計算機輔助測量［J］．大學物理實驗，2010，23（2）：63-65．

［10］ 肖文波，劉萌萌，胡方雨，等．一種高精度解析提取太陽電池參數(shù)的新方法［J］．光電子＃激光，2013，24（10）：1889-1893．

［11］ Xiao W B，He X D，Gao Y Q．Experimental investigation on characteristics of low-concentrating solar cells［J］．Modern Physics Letters B，2011，25（9）：679-684．

［12］ 肖文波，劉萌萌，胡方雨，等．基于 Lambert W 函數(shù)提取太陽電池五參數(shù)的方法及光強對參數(shù)影響的規(guī)律［J］．科學通報，2014，59（36）：3615-3620．

［13］ Singh P，Singh S N，Lal M，et al．Temperature dependence of I-V characteristics and performance parameters of silicon solar cell［J］．Solar EnergyMaterials＆SolarCells，2008，92：1611-1616．

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

江西省青年科學基金（20143ACB21011）、江西省發(fā)明專利產業(yè)化技術示范基金（20143BBM26116）、高等學校計算物理課程教學研究項目（JZW-15-JW-02）、江西省教育廳科技項目（GJJ150729）以及南昌航空大學教改課題（JY1460）資助

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