太阳电池光伏特性的测量实验
太阳电池(Solar Cells),也称为光伏电池,是将太阳光源直接转换成电能的元件.经由
这种元件封装成太阳电池模组,再按需求将一块以上的模组组合成一定功率的太阳电池阵
列,再经连接蓄电池、测量控制装置及直流-交流变换装置等,即构成太阳电池发电系统,
此系统具有不需外部供应能源、维护简单、寿命长、可任意组合功率大小、无噪音、无污染等优
点.光伏效应早在 1839 年已经被法国物理学家 Becquerel 发现,1954年世界上第一
块矽半导体太阳电池才在美国贝拉实验室出现.经过 50 多年来的努力,再加上人类对再
生能源的重视,太阳电池的研究与产业化已有俱体的成就.目前,太阳电池已成为太空卫
星的基本电源和地球上无电或缺电地区及些特殊领域如通信设备、气象台站、航标灯等之重
要电源.而且随著太阳电池材料及制造技术的创新和制造成本的不断降低,太阳能光伏发
电将逐步地取代常规发电.近年来,在德国和日本等国家,其太阳能光伏发电已进入城市
电力系统.世界各国对於太阳能光伏发电技术十分重视,将它列为可再生能源开发利用的
首位.因此,太阳能光伏发电可望成为 21 世纪的重要新能源.
【实验目的】
1.了解太阳电池的构造与工作原理,
2.测量太阳光谱及辐射能量
3.观察半导体材料能带沟(Band Gap)对光伏效率的影响
4.测量太阳电池之二极体特性曲线及计算"dark saturation current"
5.测量太阳电池之光谱响应(spectral response)及计算量子效率
6.测量太阳电池的 I-V 特性曲线.
7.测量太阳电池之效率及计算寄生电阻
8.观察温度、太阳光源强度对太阳电池之影响.
【实验原理】
1.
图1 矽晶太阳电池的架构示意图
构示意图如图1 所示.结晶体矽太阳电池以矽半导体材料制成大面积pn 接面元件工作.
一般采用n+/p同质接面架构,即在约10 cm*10 cm面积的p型矽片(厚度约200~500
μm)上用扩散法制作出一层很薄(厚度 < 1μm)的经过重搀杂的n 型层,然后在n型
层上面制作金属格线,作为正面接触电极.在整个背面也制作金属膜,作为背面欧姆
接触电极.这样就形成了结晶体矽太阳电池.另外为了减少光的反射损失,一般会在
上下表面作粗糙化,并整个表面上再覆盖一层抗反射膜.
2.光伏效应
当太阳光入射太阳电池内部时,只要入射光子的能量大於半导体材料的能
带沟 Eg ,则会在p 层或n 层其光子被吸收处产生电子-电洞对.在n 层或p层离p-n 接面
所产生的电子电泂对,会因扩散而自由移动,这些载子大部份会重新结合而消失,只有少
部份产生在距离电荷空乏区小於少数载子的扩散长度之载子有机会扩散到电荷空乏区,进
而被此区之内建电场驱动推向另一区域成为主要载子,亦即在n型半导体区之电洞扩散到电
荷空乏区,在内建电场推动下,跨越pn接面到p(n)型半导体区成为主要载子.因此如果太阳
电池外电路处於开路状态,那光照产生之电子和电泂会分别累积在n 型及p型半导体区,因
而产生一个电位差.这一现象称为光伏效应(Photovoltaic Effect, 缩写为PV).
2. 太阳电池的参数

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