[前言]
能源短缺和地球生态环境污染目前已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO2、SO2等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO2已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO2的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO2、SO2等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 广义地说，太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能，它们随着太阳和地球的活动，周而复始地循环，几十亿年内不会枯竭，因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。在地球大气圈外，太阳辐射的功率密度为1.353kW /m2，称为太阳常数。到达地球表面时，部分太阳光被大气层吸收，光辐射的强度降低。在地球海平面上，正午垂直入射时，太阳辐射的功率密度约为1kW /m2，通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均
消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨标准煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。
太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸汽，再驱动汽轮机发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
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根据所用材料的不同，太阳能电池可分为硅太阳能电池，化合物太阳能电池，聚合物太阳能电池，有机太阳能电池等。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
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多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率可达到10%。因此，多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。
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非晶硅薄膜太阳能电池成本低，重量轻，便于大规模生产，有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率，无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。
[实验目的]
（1）了解太阳能电池的光伏效应原理，了解单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的差别；
（2）研究在无光照情况下太阳能电池的伏安特性（即暗伏安特性）；
（3）研究在光照情况下太阳能电池的输出特性。
[实验仪器]
ZKY-SAC-I 太阳能电池特性实验仪、可变负载、光源、导轨、遮光罩、光强探头、单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。
换面鞋[预习提示]
（1）简述太阳能电池的光伏效应原理。
（2）不同类型的太阳能电池在结构上的差别有哪些？
（3）表征太阳能电池的性能的主要参数有哪些？
[实验原理]
1.太阳能电池光生伏特效应的原理
光生伏特效应是指半导体材料由于受到光照而产生电动势的现象，简称光伏效应。太阳能电池就是利用这种半导体P-N 结受到光照时的光伏效应进行发电的，其基本结构（如图5.17-1所示）就是一个大面积的平面PN 结。
图5.17-1 太阳能电池结构示意图
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当P 型半导体与N 型半导体结合形成PN 结时，P 型半导体中的多子空穴和N 型半导体中的多子电子在
结区相互扩散形成空间电荷区，并在空间电荷区内产生内建电场。电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自N 区的电子复合，N 区的电子被来自P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，因此空间电荷区又称为结区或耗尽区。 当入射光照射在PN 结上时，由于内光电效应而产生光生载流子，及电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场的作用下分离，电子在内建电场的作用下进入N 区，空穴在内建电场作用下进入P 区，使N 区有过量的电子而带负电，P 区有过量的空穴而带正电，即在PN 结两端形成了电压，如果将该PN 结接入外电路，则该PN 结就可向负载输出电能。需要注意的是，太阳能电池产生光生伏特效应用于发电需要满足两个条件：（1）材料对光具有本征吸收（可以产生内光电效应）；（2）在太阳能电池内部可以形成内建电场，能够迅速分离光生载流子，且能够阻止光生载流子的复合。 2.太阳能电池的特性
当无光照射在太阳能电池时，可以将太阳能电池等效为一个二极管；有光照射在太阳能电池时，则可以将其等效为一个受控电流源，其等效电路如图5.17-2所示。
图5.17-2 太阳能电池的等效电路
图中，I L 为光照射到电池吸收层中产生的光生电流，当光照相对比较恒定的时候，光生电流不会随着工作状态改变，可以看做恒流源。光生电压反向加在PN 结两端，这样就会产生于光生电流反向的二极管反向饱和电流光I D 。R L 为负载电阻，V 为其电阻两端的电压，I 为电路中的电流。R P 为电池的并联电阻，主要是由于PN 结漏电引起的，其中包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。R S 为电池的串联电阻，主要是由于电池材料所固有的电阻，所用电极材料的电阻，以及电池和电极相连部分由于接触产生的电阻产生。
理想的太阳能电池正向电流I F 与其压降U F 之间满足以下关系式：smdao
1F qU kT F s L I I e I ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭
（5.17-1）
翻边其中，I S 为PN 结的反向饱和电流，q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度。有无光照情况下太阳能电池的伏安特性曲线，如图5.17-3所示，其中无光照时的伏安特性称为暗特性，有光照时称为光照特性。
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双极化天线
图5.17-3 理想太阳能电池的伏安特性曲线
如果将太阳能电池的正负两级短路，其压降U F 变为0，此时流过电路的电流称为太阳能电池的短路电流，用I SC 表示。在理想条件下，太阳能电池的短路电流I SC 与光电流I L 相等，即
()L e h I qAG L W L =++ （5.17-2）
其中，q 为电子电量，A 为 PN 结的横截面积，G 为由于外部作用（光照）所引起的净产生率，L e 、L h 分别为电子在材料中的扩散长度和空穴在材料中的扩散长度，W 为耗尽区宽度。
如果将太阳能电池的正负两级断开，其流过电流为0，则此时太阳能电池两极见的压降U F 称为太阳能电池的开路电压，用U OC 表示。在理想条件下，太阳能电池的开路电压值为
ln 1L OC S I kT U q I ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭
（5.17-3） 从图5.17-3中可以清晰的看到，当有光照射在太阳能电池上时，其输出功率P 存在一个最大值P max ，此时输出电压为U mp ，输出电流为I mp 。定义填充因子F.F 为
max mp mp oc sc oc sc
U I P F F U I U I ⨯⋅==⨯⨯ （5.17-4） 填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池FF 值在0.75~0.8之间。太阳能电池的转换效率可以定义为太阳能电池产生的能量和入射光的能量之比，即
%100(%)max ⨯=in
s P P η （5.17-5） 其中，P in 为入射到太阳能电池表面的光功率。太阳能电池的转换效除了与其制造工艺有关外，还与照射在电池上的光谱的性质，入射光的能量密度和太阳能电池的工作温度有关。对于太阳能电池来说，短路电流、开路电压、填充因子以及转换效率是衡量其性能的主要参数。
[实验装置]
太阳能电池实验装置如图5.17-4所示，电源面板如图5.17-5所示。
图5.17-4 太阳能电池实验装置
光源采用碘钨灯，它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光强，具体数值由光强探头测量。测试仪为实验提供电源，同时可以测量并显示电流、电压、以及光强的数值。
电压源：可以输出0～8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。
电压/光强表：通过“测量转换”按键，可以测量输入“电压输入”接口的电压，或接入“光强输入”接口的光强探头测量到的光强数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光强量程”，可以选择适当的显示范围。
电流表：可以测量并显示0～200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。
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