研究性报告-太阳能电池的应用及发展前景分析.docx

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1、 基础物理实验研究性报告太阳能电池原理及应用前景分析 在此处键入目录摘要4一实验原理5二实验仪器6三实验内容及数据处理9（一）太阳能电池基本特性测量91硅太阳能电池的暗伏安特性测量92开路电压，短路电流与光强关系测量113太阳能电池输出特性实验13（二）太阳能电池应用系统系列实验I151、失配及遮挡对太阳能电池输出的影响实验152、太阳能电池对储能装置两种方式充电实验16四太阳能电池的应用现状与发展前景18五讨论18摘要：在现今能源短缺的时代，人类推广使用太阳辐射能是今后的必然趋势。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为最理想的能源。

2、故笔者认为，研究太阳能电池发电原理,了解太阳能发电发展历程和前景对今后可再生能源的学习是很有意义的。本文提出了太阳能电池发电原理及探究其特性的测量、应用实验，最后介绍太阳能发电的应用现状与发展前景。关键词：太阳能电池，太阳能电池基本特性测量，太阳能电池产业一实验原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴流向p区，光生电子流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开

3、时测得的最大电压VOC称为开路电压。太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P-V曲线如图2点划线所示。输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。填充因子F.F定义为： （1）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0.750.8之间。转换效率s定义为： （2）Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。 太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 光热电转换方式通过利用太阳辐射产生

4、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工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元， 平均1kW的投资为20002500美元。太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的。黑体(如太阳)辐射出不同波长(对应于不同频率)的电磁波。当这些射线照射在不同导体或半导体上，光子与导体或半导体中的自由电子作用产生电流。射线的波长越短，频率越高，所具有的能量就越高.太阳电池发电是一种可再生的环保发电方式

5、，发电过程中不会产生二氧化碳等温室气体，不会对环境造成污染。按照制作材料分为硅基半导体电池、CdTe薄膜电池、CIGS薄膜电池、染料敏化薄膜电池、有机材料电池等。其中硅电池又分为单晶电池、多晶电池和无定形硅薄膜电池等。二实验仪器太阳能电池基本特性测量实验装置如图7所示，电源面板如图8所示。 图7 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08V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

6、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0200mA的电流，通过“电流量程”选择适当的显示范围。太阳能电池应用系统的实验装置如图9所示，由太阳能电池组件，实验仪和测试仪3部分组成。各部件的基本参数如下：太阳能电池 单晶硅太阳能电池，标称电压12V，标称功率2W光源 100W碘钨灯，为保证太阳能电池不因过热损坏，使用时调节至离太阳能电池最远负载组件 01K，2W直流风扇 12V，1WLED灯 直流15V，0.4W

7、DC-DC 升降压DC-DC，输入535V，输出1.517V，1A超级电容 2.3F，11V蓄电池 12V，1.3AH（安时）逆变器 DC12VAC220V，75W交流负载 节能灯，5W 图8 太阳能电池特性实验仪图9 太阳能电池应用实验装置三实验内容及数据处理（一）太阳能电池基本特性测量1硅太阳能电池的暗伏安特性测量暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。本实验提供的组件是将若干单元并联。要求分别测试并画出单晶硅, 多晶硅，非晶硅太阳能电池组件在无光照时的暗伏安特性曲线。用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图10所示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接

8、口，电阻箱调至50后串连进电路起保护作用，用电压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。 图10 伏安特性测量接线原理图将电压源调到0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔0.1V记一次电流值。然后再次将电压输入调到0V，将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压，逐渐增大反向电压，记录电流随电压变换的数据。以电压作横坐标，电流作纵坐标，根据表1画出三种太阳能电池的伏安特性曲线。正向反向电压/V电流/mA电压/V电流/mA 单晶硅多晶硅非晶硅单晶硅多晶硅非晶硅000000000.30.0050.0050.250-1-0.015-0.015-0.9020.60.0190.

9、0150.520-2-0.030-0.030-2.00.90.0480.0390.804-3-0.047-0.047-3.31.20.1100.1001.116-4-0.067-0.067-4.91.50.2300.2481.462-5-0.088-0.091-6.91.80.5280.6321.929-6-0.114-0.123-9.52.11.3501.7552.8002.44.0006.3004.1002.715.6031.006.1002开路电压，短路电流与光强关系测量打开光源开关，预热5分钟。打开遮光罩。将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入

10、”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远（从10cm到50cm）移动滑动支架，测量距光源一定距离（每隔5cm）的光强I。将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图11A接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值。按图11B接线，记录短路电流值于表2中。将单晶硅太阳能电池更换为多晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。将多晶硅太阳能电池更换为非晶硅太阳能电池，重复上述测量步骤，并记录数据。 画出三种太阳能电池的开路电压随光强变化的关系曲线；画出三种太阳能电池的短路电流随光强变化的关系曲线。距离/cm光强单晶硅多晶硅非晶硅U/VI/mAU/VI/mAU

11、/VI/mA1015202.96104.52.77132.02.8424.4157382.8852.02.6360.62.5210.9204022.7929.42.5332.52.166.0252522.7222.52.4621.81.883.8301722.6716.72.415.01.662.635127.12.6212.52.3511.11.462.04098.62.579.82.318.61.261.54578.72.537.92.286.91.081.25064.12.496.52.245.70.931.03太阳能电池输出特性实验 按图12接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照

12、强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V（按照每隔0.2V的间隔）和电流I。单晶U/V0.0150.3010.6120.9031.2081.5001.8022.12.242.382.582.61I/mA26.026.026.026.026.026.025.824.522.518.24.40.3多晶U/V0.0160.2860.6100.9081.2301.5151.792.132.332.442.502.51I/mA26.926.926.926.926.926.925.423.517.89.72.40.3

13、非晶U/V00.090.20.30.420.520.861.121.371.691.932.00I/mA4.94.84.74.64.44.33.93.53.02.00.80.4单晶硅最大功率多晶硅最大功率非晶硅最大功率填充因子计算：单晶硅 多晶硅 非晶硅转换效率： 单晶硅 多晶硅 非晶硅（二）太阳能电池应用系统系列实验I1、失配及遮挡对太阳能电池输出的影响实验太阳能电池在串、并联使用时，由于每片电池电性能不一致，使得串、并联后的输出总功率小于各个单体电池输出功率之和，称为太阳能电池的失配。太阳能电池由于云层，建筑物的阴影或电池表面的灰尘遮挡，使部分电池接收的辐照度小于其它部分，这部分电池输出会

14、小于其它部分，也会对输出产生类似失配的影响。太阳能电池并联连接时，总输出电流为各并联电池支路电流之和。在有失配或遮挡时，只要最差支路的开路电压高于组件的工作电压，则输出电流仍为各支路电流之和。若有某支路的开路电压低于组件的工作电压，则该支路将作为负载而消耗能量。由太阳能电池的伏安特性可知，太阳能电池在正常的工作范围内，电流变化很小，接近短路电流，电池的最大输出功率与短路电流成正比。表1 遮挡对太阳能电池输出的影响遮挡条件无纵向横向遮挡面积/10%20%50%25%50%75%短路电流62.558.441.80.9793.20.9430.360由所测数据可知遮挡对太阳能电池输出影响极大，切纵向遮

15、挡比横向遮挡影响更深。2、太阳能电池对储能装置两种方式充电实验本实验对比太阳能电池直接对超级电容充电和在太阳能电池后加DC-DC再对超级电容充电。说明不同充电方式下充电特性的不同及充电方式对超级电容充电效率的影响。本实验所用DC-DC采用输入反馈控制，在工作过程中保持输入端电压基本稳定。若太阳能电池光照条件不变，并调节DC-DC使输入电压等于太阳能电池最大功率点对应的输出电压，即可实现在太阳能电池的最大功率输出下的恒功率充电。理论上，采用最大功率输出下的恒功率充电，太阳能电池一直保持最大输出，充电效率应该最高。在目前系统中，由于太阳能电池输出功率不大，而DC-DC本身有一定的功耗，致使两种方式

16、充电效率（以从同一低电压充至额定电压所需时间衡量）差别不大，但从测量结果可以看出充电特性的不同。按图15a，将负载组件接入超级电容放电，控制放电电流小于150mA，使电容电压放至低于1V。按图15b接线，做太阳能电池直接对超级电容充电实验，每隔半分钟记录一次充电电压U和充电电流I值，充电至11伏时停止充电。将超级电容再次放电后，按图15c接线，先将电压表接至太阳能电池端，调节DC-DC使太阳能电池输出电压为最大功率电压。然后将电压表移至超级电容端（此时不再调节DC-DC旋钮），做加DC-DC后对超级电容充电实验，每隔半分钟记录一次充电电压U和充电电流I值，充电至11伏时停止充电。 加DC-DC

17、t/s0306090120150180210240I/mA50.550.851.051.151.051.050.950.950.9U/V1.092.042.853.664.405.125.826.487.09t/s270300330360390420450I/mA50.550.149.048.147.246.345.6U/V7.738.358.919.5010.0310.5911.0不加DC-DCt/s0306090120150180210240I/mA11294.378.664.957.051.047.644.441.4U/V1.012.293.634.525.245.896.456.957

18、.41t/s270300330360390420450480510I/mA39.537.435.734.332.832.031.130.129.4U/V7.868.278.669.059.409.7610.1010.4110.71t/s540I/mA28.6U/V11.0四太阳能电池的应用现状与发展前景查阅资料可知现如今可以大批量生产的主要有以下几种太阳能电池材料：第一便是实验中所用到的非晶硅材料，目前非晶硅电池存在的主要问题是光转换效率低，国际先进水平只有10%左右，而且不够稳定，常有转换效率衰退的现象，所以尚未大量用于作为大型太阳能电源，而多半用于弱光源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印

19、机方面，估计效率衰退问题克服后，非晶硅太阳能电池将促进太阳能利用的大发展。第二便是多元化合物薄膜太阳能电池如硫化镉、碲化镉电池等，上述电池中尽管硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅低，并且也易于大规模生产，但是因为镉有剧毒，容易产生环境污染问题，因此并不是制造太阳能电池的理想材料。而有机物太阳能电池制备工艺简单，具有制造面积大、价格低廉、简易、柔性等优点，可以制备在卷曲折叠的衬底上形成柔性的太阳能电池，目前有机太阳能电池在特定条件下的光转换效率已经达到9.5%。目前正在研制的新型太阳能电池是纳米晶太阳能电池，纳米晶太阳能电池光电效率在10以上，制作成本为硅

20、太阳能电池的1020，寿命可达到20年以上。而且其光学带系也可由纳米尺度调节到理想太阳能电池所需要的带系区域。因此可提高其转换效率。由以上可知纳米晶太阳能电池将是目前太阳能电池的理想材料。现如今太阳能电池所要突破的瓶颈主要有以下几点：1.转换效率高2.制造能耗少3.制造成本低4.材料丰富5.电池使用寿命长6.无公害。最主要的阻碍便是制造成本和转换效率。在转换效率问题上，太阳能转换的损失主要是在热损失，以及电子与空穴的复合，再就是pn结和接触电压引起。为了提高转换效率，可以对电池组件的结构进行改善，理论预测，其转换效率可达到40%以上。而减少成本需要减少材料能耗，减少制造过程中的能耗，提高太阳能

21、电池光电特性的长期稳定性。太阳能电池产业的持续发展有赖于进一步提高转换效率并减少生产成本，这是摆在我们面前的进一步目标和任务。展望二十一世纪，世界太阳能电池市场必将继续迅猛发展。五讨论经过本次实验我们对太阳能电池的各各方面有了更加深刻的认识，对于现在存在的问题也有了一定的认识，由实验数据可以得知，单晶硅的光转换效率最高，多晶硅的次之，非晶硅的最小，在太阳能的采光过程中应尽量避免采光面被遮挡，因为由数据可得遮挡一小部分面积对于太阳能电池的转换效率都是致命的影响，尤其要注意不能横向遮挡，因此即使避免不了遮挡也应该尽量使其纵向遮挡。由另一个应用实验可以发现加DC-DC之后，应采用最大功率输出下的恒功率充电，充电效率才会高，也体会到了预习实验的重要性。以上便是从太阳能电池实验过程和数据结果中体会到的教训与心得，同时非常感谢李文萍老师淳淳教导与耐心帮助！