1、哈尔滨工业大学创新实验报告Harbin Institute of Technology近代光学创新实验近代光学创新实验实验名称：太阳能光伏电池测试与分析 院 系： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 实验时间： 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学创新实验报告1一、实验目的1、了解 pn 结基本结构和工作原理；2、了解太阳能电池的基本结构，理解工作原理；3、掌握 pn 结的 IV 特性及 IV 特性对温度的依赖关系；4、掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法，理解光源强度、波长、环境温度等因素对太阳能电池特性的影响；5、通过分析 PN 结、太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析
2、与处理的方法，分析实验数据与理论结果间存在差异的原因。二、实验原理1、光生伏特效应半导体材料是一类特殊的材料，从宏观电学性质上说它们导电能力在导体和绝缘体之间，导电能力随外界环境（如温度、光照等）发生剧烈的变化。半导体材料具有负的带电阻温度系数。从材料结构特点说，这类材料具有半满导带、价带和半满带隙，温度、光照等因素可以使价带电子跃迁到导带，改变材料的电学性质。通常情况下，都需要对半导体材料进行必要的掺杂处理，调整它们的电学特性，以便制作出性能更稳定、灵敏度更高、功耗更低的电子器件。基于半导体材料电子器件的核心结构通常是 pn 结，pn 结简单说就是 p 型半导体和 n 型半导体的基础区域，太
3、阳能电池本质上就是 pn 结。 常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的 pn 结，如图 1 所示，它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。非均匀半导体就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。pn 结是典型的一个例子。N 型半导体材料和 p 型半导体材料接触形成 pn 结。pn 结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法等等。杂质
4、分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，pn 结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的。不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。哈尔滨工业大学创新实验报告2根据半导体物理学的基本原理我们知道，处于热平衡态的一个 pn 结结构由 p 区、n 区和两者交界区域构成。为了维持统一的费米能级，p 区内空穴向 n 区扩散，n 区内空穴向 p 区扩散。这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏，p 区积累了带有负电的不可动电离受主，n 区积累了不可能电离施主。载流子扩散运动的结果导致 p 区负电，n 区带正电，在界面附近区域形成由 n 区指向 p 区的内建电场和相应的空间电荷区。显然，两者费米能级的不统一
5、是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，p 区和 n 区两端产生一个高度为 qVD 的势垒。理想 pn 结模型下，处于热平衡的 pn 结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用。如图 2 所示，当有入射光垂直入射到 pn 结，只要 pn 结结深比较浅，入射光子会透过 pn 结区域甚至能深入半导体内部。如果如何光子能量满足关系 （E g 为半导体材料的禁带宽度） ，那么h这些光子会被材料本征吸收，在 pn 结中产生电子
6、孔穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。光生载流子对 p 区空穴和 n 区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计。但是对少数载流子将产生显著影响，如 p 区电子和 n 区空穴。在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。在 pn 结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场。内建电场的驱动下 p 区光生少子电子向 n 区运动，n 区光生少子空穴向 p区运动。这种作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由 n 区指向 p 区，与内建电场方向一致
7、；第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，pn 结势垒高度降低，甚至会完图 1 Si pn 结太阳能电池结构示意图哈尔滨工业大学创新实验报告3全消失。宏观的效果是在 pn 结两端产生电动势，也就是光生电动势。上述的分析我们发现光照射 pn 结会使得 pn 结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在pn 结两端施加正向电压。这种情况下的 pn 结就是一个光电池。开路下 pn 结两端的电压叫做开路电压 Voc，闭路下这种 pn 结等价于一个电源，对应的电流 Isc 称为闭路电流。光生伏特效应是太阳能电池的核心原理，它的机制就是光能转化为电能，开路电压和闭路电流是两个基本
8、的参数。图 2 中 EC为半导体电带，E V 为半导体价电带。2、太阳能电池无光照情况下的电流电压关系（暗特性）太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个 pn 结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。简单的处理方式是把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想 pn 结。其电流电压关系为肖克莱方程： 1)exp(0TkVIs其中 为反向饱和电流。A、D 、n、p 和 L 分别为结面积、扩)(00pnnps LeDAJI散系数、平衡电子浓度、平衡空穴浓度和扩散长度。根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，暗条件太阳能电池
9、 IV 曲线不对称，这就是 pn 结的单向导通性或者说整流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对电流电压特性具有影响的因素是温度。温度对半导体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为：图 2 光辐照下的 pn 结哈尔滨工业大学创新实验报告4)exp()( 0232/1TkENnDeJgAis 由此可见随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子 迅速增大。且带隙越宽的半导)(0g体材料，这种变化越剧烈。半导体材料禁带宽度是温度的函数 ，其中 为绝对零度时候的带隙宽度。TEg)0()(g
10、E设有 ，V g0 是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数的正向0)(ggeE电流电压关系为： )(exp023TkVTAJIg显然正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。3、太阳能电池光照情况下的电流电压关系（光特性）光生少子在内建电场驱动下定向的运动在 PN 结内部产生了 n 区指向 p 区的光生电流 IL，光生电动势等价于加载在 pn 结上的正向电压 V，它使得 PN 结势垒高度降低 qVDqV。开路情况下光生电流与正向电流相等时，pn 结处于稳态，两端具有稳定的电势差 VOC，这就是太阳能电池的开路电压Voc。如图 3 所示，在闭路情况下，光照作用下会有
11、电流流过 pn 结，显然 pn 结相当于一个电源。光电流 IL 在负载上产生电压降，这个电压降可以使 pn 结正偏。如图 3 所示，正偏电压产生正偏电流 IF。在反偏情况下，pn 结电流为 )1exp(0TkVIISLFL随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，因此太阳能电池的电流总是反向的。根据图 3 的等效电路图。有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。其一是负图 3 太阳能电池等效电路图哈尔滨工业大学创新实验报告5图 4 太阳能电池最大功率矩形载电阻 RL0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，pn 结处于短路状态，此时光电池输
12、出电流我们称为短路电流或者闭路电流 Isc。I=ISC=IL其二是负载电阻 ，外电路处于开路状态。流过负载电阻电流为零，根据等效电路图 3，光L电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压 Voc 就是所谓的开路电压。显然有 )1exp(00TkVIISL得到开路电路电压 VOC 为 )1ln(0SLOCIeV开路电压 Voc 和闭路电路 Isc 是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数通过确定稳定光照下太阳能电池 IV 特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路 Isc 正比于入射光强度，开路电压
13、Voc 随着入射光强度对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压 Voc 不会随着入射光强度增大而无限增大的，它的最大值是使得 pn 结势垒为零时的电压值。换句话说太阳能电池的最大光生电压为 pn 结的势垒高度 VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。4、太阳能电池的效率太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此讨论太阳能电池的效率哈尔滨工业大学创新实验报告6是必要和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是 100。
14、就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳光电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率 定义为输出电能 Pm 和入射光能 Pin 的比值： %1010inminmpVIp其中 在 IV 关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图 4 光特性 IV 曲线与电流、m电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点 pm 的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是 IV 曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为 IscVoc，定义 为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了太阳能电池ocsmI
15、可实现功率的度量，通常的占空系数在 0.70.8 之间。太阳能电池本质上是一个 pn 结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si 太阳能电池的最大效率大致是 28左右。对太阳能电池效率有影响的还有其它很多因素，如大气对太阳光的吸收、表面保护涂层的吸收、反射、串联电阻热损失等等。综合考虑起来，太阳能电池的能量转换效率大致在 1015之间。为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可能采取的办法中通过光学透镜集中太阳光是有效的。太阳光强度可以
16、提高几百倍，闭路电流线性增大，开路电流指数式增大。不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大是不是急剧增大的，而是有轻微增大。但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池低廉，因为透镜集中也是一个有优势的技术选择。图 5 实测太阳能电池暗特性曲线图 5 给出了对某种商用太阳能电池板室温下（25）实际测量得到的暗特性 IV 曲线。哈尔滨工业大学创新实验报告7图 6 实测太阳能电池光特性曲线图 6 是对某种商用太阳能电池板室温下（25） 、150W 氙灯光源直接照射下得到的光特性 IV曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图。三、实验设备设备采用整体箱式布局，所有元件都集中在一个箱体中，无外在分离结
17、构。包括光源与太阳能电池、光路和外电路三个部分。1、光源与太阳能电池部分采用高压氙灯光源，高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源标称功率 750W。2、光路部分本设备光路简洁，有光源、滤色片、光强探测器构成。滤色片用于研究近似单色光作用下太阳能的光谱响应特性。光强探测器标定入射光强度。3、外电路外电路包括光源驱动电路、温度控制电路和测试分析电路三部分。光源驱动电路用于氙灯的点燃和轴流风冷。温控电路用于太阳能电池片的温度控制，加热采用电阻丝加热，冷却采用两级半导体冷堆方式。可在 60150范围内对样品进行特性测量。测试分析电路提供测试分析仪表的工作电压。四、实验内容与步骤1、太阳能电池暗特
18、性测试暗特性测试不需要开启光源。 测试反偏电压 V 下通过太阳能电池的电流 I；测试正向偏压下通过太阳能电池的电流 I。汇总测试数据形成 IV 特性曲线。根据实验时间安排测量不同温度下的特性曲线。根据理想 pn结电流电压方程对正偏实验数据进行拟和。哈尔滨工业大学创新实验报告8实验结果：汇总正向偏压数据形成的 I-V 特性曲线如下图：取特性曲线上两点（3000，20000） ， （3300，60000）由 ，其中 为常数，1)exp(0TkVIs eTk0可得 =273mV，I S=0.34 A，即拟合函数为eTk0 )273(4.0Is2、太阳能电池光照特性测试（1）不加载滤色片、光强度最大条
19、件下通过改变负载电阻来测试太阳能电池 IV 特性曲线，汇总数据形成 IV 特性曲线，然后根据特性曲线求解出开路电压 Voc、闭路电流 Isc；（2）不加载滤色片，在两种不同光强下测量 IV 特性，得到不同光强下的 IV 特性曲线、开路电压、闭路电流数据；（3）最大光强下，加载不同滤色片，测量 IV 特性，得到不同单色光照情况下的 IV 特性曲线、开路电压、闭路电路数据；（4）不同温度下的重复（1）得到不同温度下 IV 特性曲线、开路电压、闭路电流数据。对比光强度、滤色片、温度对太阳能电池的 IV 特性的影响，根据 IV 曲线计算出不同测量参数下的最大功率矩形的值，进而计算出占空系数。实验结果：1. 不加载滤色片，06 档光强（最大光强度）下得到的特性曲线如下图：哈尔滨工业大学创新实验报告9可以求出，开路电压 VOC=2680mV，短路电流 ISC=55000A。Vm=2000mV，I m=48300A，占空系数（I mVm/ISCVOC)=0.662. 不加载滤色片，03 档光强下得到的特性曲线如下图
