太陽(yáng)能電池特性的實(shí)驗(yàn)研究與應(yīng)用

陸世杰

(哈爾濱理工大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

太陽(yáng)能電池，也稱為光伏電池，是將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的器件。由這種器件封裝成太陽(yáng)能電池組件，再按需要將一塊以上的組件組合成一定功率的太陽(yáng)電池方陣，經(jīng)與儲(chǔ)能裝置、測(cè)量控制裝置及直流交流變換裝置等相配套，即構(gòu)成太陽(yáng)能電池發(fā)電系統(tǒng)，也稱為光伏發(fā)電系統(tǒng)[1-3]。它具有不消耗常規(guī)能源、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單、使用方便、功率大小可任意組合、無(wú)噪音、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)[4-6]。目前，太陽(yáng)能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無(wú)電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域(通信設(shè)備、氣象臺(tái)站、航標(biāo)燈等)的重要電源[7,8]。

針對(duì)太陽(yáng)能電池的特性進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,給出不同照度下太陽(yáng)能電池的伏安特性、開路電壓U0和短路電流IS；在不同照度下，測(cè)定太陽(yáng)能電池的輸出功率P和負(fù)載電阻R的函數(shù)關(guān)系；確定太陽(yáng)能電池的最大輸出功率Pmax以及相應(yīng)的負(fù)載電阻Rmax和填充因數(shù)；給出了太陽(yáng)能電池應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)方案，讓學(xué)生參與設(shè)計(jì)，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣，啟發(fā)創(chuàng)新思維[9-10]。

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)光照射在距太陽(yáng)能電池表面很近的PN結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，則在P區(qū)、N區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)的作用下分別移向N區(qū)和P區(qū)。導(dǎo)致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產(chǎn)生一個(gè)與PN結(jié)的內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)，在PN結(jié)上產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)[11]。

圖1 太陽(yáng)能電池的工作原理

太陽(yáng)能電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)的。如圖1所示，當(dāng)光照射太陽(yáng)電池時(shí)，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)到P區(qū)的光生電流IS。同時(shí)，由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流ID，此電流方向從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流相反。因此，實(shí)際獲得的電流I為兩個(gè)電流之差：

I=IS(Φ)-ID(U)

(1)

式中VD為結(jié)電壓，I0為PN結(jié)的反向飽和電流，N稱為理想系數(shù)(N值)，表示PN結(jié)特性的參數(shù)，通常在1～2之間，q為電子電荷，kB為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度。

如果連接一個(gè)負(fù)載電阻R，電流I可以被認(rèn)為是兩個(gè)電流之差，即取決于輻照度Φ的負(fù)方向電流IS，以及取決于端電壓U的正方向電流ID(U)。由此可以得到太陽(yáng)能電池伏安特性的典型曲線(見圖2)。

當(dāng)太陽(yáng)能電池的輸出端短路時(shí)，可以得到短路電流，它等于光生電流IS。當(dāng)太陽(yáng)能電池的輸出端開路時(shí)，可以得到開路電壓U0。

在固定的光照強(qiáng)度下，光電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R。太陽(yáng)能電池的輸出功率在負(fù)載電阻為Rmax時(shí)達(dá)到一個(gè)最大功率Pmax，Rmax近似等于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻Ri。

Ri=U0/IS

(2)

這個(gè)最大的功率比開路電壓和短路電流的乘積小(見圖2)，它們之比為

(3)

F稱為填充因數(shù)。

此外，太陽(yáng)能電池的輸出功率

P=U·I

(4)

是負(fù)載電阻R的函數(shù)

R=U/I

(5)

太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率η定義為太陽(yáng)能電池的最大輸出功率與照射到太陽(yáng)能電池的總輻射能之比，即

(6)

用幾個(gè)太陽(yáng)能電池組合成一個(gè)太陽(yáng)能電池。串聯(lián)會(huì)產(chǎn)生更大的開路電壓U0，而并聯(lián)會(huì)產(chǎn)生更大的短路電流IS。在實(shí)驗(yàn)中，把2個(gè)太陽(yáng)能電池串聯(lián)，分別記錄在四個(gè)不同的光照強(qiáng)度時(shí)電流和電壓特性。光照強(qiáng)度通過(guò)改變光源的距離和電源的功率來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 測(cè)量裝置

測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置主要由太陽(yáng)能電池特性測(cè)試儀，亮度可調(diào)的光源，太陽(yáng)能電池板，可變電阻組成。實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

測(cè)試儀面板上同時(shí)顯示太陽(yáng)能電池的輸出電壓、電流和入射光強(qiáng)。

3 實(shí)驗(yàn)方法

把太陽(yáng)能電池插到插件板上，用兩個(gè)橋接插頭把上邊的負(fù)極和下面的正極連接起來(lái)，串聯(lián)起2個(gè)太陽(yáng)能電池；插上電位器作為一個(gè)可變電阻，然后用橋接插頭把它連接到太陽(yáng)能電池上；連接電流表，使它和電池、可變電阻串聯(lián)；連接電壓表使之與電池并聯(lián)；連接光源與電源，使燈與電池成一線，以使電池均勻受光；接通電路，將可變電阻器阻值調(diào)為最小以實(shí)現(xiàn)短路，并改變光源的距離和調(diào)節(jié)電源輸出功率，使短路電流大約為45 mA，同時(shí)記錄入射光強(qiáng)；逐步改變負(fù)載電阻值，分別讀取電流和電壓值，記入表1中；斷開電路，測(cè)量并記錄開路電壓；調(diào)節(jié)電源功率，分別使短路電流約為35 mA，25 mA和15 mA，并重復(fù)上述測(cè)量。

表1 不同入射光強(qiáng)下太陽(yáng)能電池的輸出電壓U和電流I數(shù)據(jù)(短路電流IS開路電壓U0)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

由表1數(shù)據(jù)做出的I-U曲線如圖4。

圖4 不同入射光強(qiáng)下太陽(yáng)能電池測(cè)量太陽(yáng)能電池的I-U曲線

由圖4可以看出，入射的光強(qiáng)越大，太陽(yáng)能電池輸出的電流越大，在負(fù)載電阻小的情況下，太陽(yáng)能電池可以看成一個(gè)恒流源。在負(fù)載電阻大的情況下，太陽(yáng)能電池相當(dāng)于一個(gè)恒壓源。

由表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算對(duì)應(yīng)的功率P和電阻R，得到P-R關(guān)系曲線如圖5。對(duì)應(yīng)于最大功率的負(fù)載電阻值Rmax和的內(nèi)阻值Ri如表2。

圖5 P-R曲線

表2 對(duì)應(yīng)于最大功率的負(fù)載電阻值Rmax和內(nèi)阻值Ri對(duì)照表

由圖5和表2可以看出，在固定的光照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池的輸出功率取決于負(fù)載電阻R。太陽(yáng)能電池的輸出功率在負(fù)載電阻為Rmax時(shí)達(dá)到一個(gè)最大功率Pmax，Rmax近似等于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻Ri。即負(fù)載電阻接近于太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻時(shí)，輸出功率最大。

由表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出個(gè)最大功率Pmax，與開路電壓與短路電流的乘積之比，得到太陽(yáng)能電池的填充因數(shù)如表3。

表3 太陽(yáng)能電池的填充因數(shù)

由太陽(yáng)能電池的最大輸出功率Pmax和入射光強(qiáng)計(jì)算得到的光電轉(zhuǎn)換效率如表4。

表4 太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率

由此可得太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η=17.7%。與實(shí)際的技術(shù)指標(biāo)(16～20%)相符[12]。

5 應(yīng)用設(shè)計(jì)

為了讓學(xué)生了解太陽(yáng)能電池的應(yīng)用。我們?yōu)閷W(xué)生提供了應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊，包括電容、LED、喇叭、風(fēng)扇[13，14]，如圖6。

圖6 應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊

設(shè)計(jì)要求：

1.根據(jù)太陽(yáng)能電池的特性，用該儀器設(shè)計(jì)光功率計(jì)；

2.由提供的太陽(yáng)能電池應(yīng)用模塊，用該儀器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能充電器；

3.由提供的太陽(yáng)能電池應(yīng)用模塊，用該儀器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能LED燈；

4.由提供的太陽(yáng)能電池應(yīng)用模塊，用該儀器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能喇叭；

5.由提供的太陽(yáng)能電池應(yīng)用模塊，用該儀器設(shè)計(jì)太陽(yáng)能風(fēng)扇。

還可以擴(kuò)展為設(shè)計(jì)太陽(yáng)能溫度計(jì)和太陽(yáng)能溫度報(bào)警器；也可以作為“電表的改裝與校準(zhǔn)”“自組電橋測(cè)電阻”實(shí)驗(yàn)的電源。該儀器已被國(guó)內(nèi)10多所高校使用，對(duì)學(xué)生的訓(xùn)練效果顯著，反饋效果良好。

6 結(jié) 語(yǔ)

最后給出了太陽(yáng)能電池的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案和要求，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考，配合學(xué)生認(rèn)識(shí)物理概念和規(guī)律，學(xué)會(huì)從實(shí)際出發(fā)實(shí)事求是地分析問(wèn)題；把要觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象清楚地展示在學(xué)生面前，有助于學(xué)生由現(xiàn)象到本質(zhì)，由表及里地全面認(rèn)識(shí)問(wèn)題，使學(xué)生充分認(rèn)知并掌握理論知識(shí)及其應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐互動(dòng)。