探究不同波長的光對太陽能電池功率的影響*

田冰濤 徐正興 劉耀昌 劉萬林 王 穎 吳 斌 陳東生

(上海電力學院數理學院 上海 200090)

1 引言

太陽能電池是通過光電效應或者光化學效應直接把光能轉化成電能的裝置．利用光電效應，將太陽輻射能直接轉換成電能，光電轉換的基本裝置就是太陽能電池．太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉化為電能的器件，是一個半導體光電二極管，當太陽光照到光電二極管上時，光電二極管就會把太陽的光能變成電能，產生電流．影響其功率的外部因素主要有光照強度、光照波長、外界溫度等．

本次試驗主要探究光照波長對其功率的影響[1]．

2 實驗原理

實驗裝置是一種可以模擬陽光下太陽能電池板正常工作的儀器．光源采用碘鎢燈，其輸出光譜接近太陽光譜．通過調節光源與太陽能電池之間的距離可以改變太陽能電池上的光功率．根據測量裝置上顯示的輸出電流與輸出電壓，可繪制出相應的伏安特性曲線．制作不同顏色的濾光片可以改變透射的波長，從而實現對不同波長光線對應的伏安特性曲線的測量，進而實現對不同波長對應功率的測量[2]．

圖1 測試裝置示意圖

本實驗使用的濾光片為自制濾光片(見圖2)，其目的是為了濾除與彩色玻璃紙顏色不同的光．但由于濾光片的濾光效果及程度不同，不能使透射光波長的范圍限定在標準波長范圍以內，還需要對濾光片的透射光成分進行分析，以便得出較為準確的實驗結論[3]．

圖2 自制濾光片(藍色、紅色、紫色)

本次實驗使用的太陽能電池片為普通單晶硅材質的矩形太陽能電池片，采用鋼化玻璃以及防水樹脂進行封裝，面積為14 cm2．相比多晶硅和非晶硅電池，單晶硅電池的轉化效率最高，實驗效果也相對明顯．一般來說，目前單晶硅電池的響應光譜在400 nm到1 100 nm之間，相應強度從400 nm至900 nm左右遞增，通常光譜響應的最大靈敏度在800 nm到950 nm之間，而繼續增大波長則響應程度遞減．在相同光照強度的情況下，通過不同的濾光片可以達到測試在不同波長范圍內最大功率點的效果．

在太陽能光伏器件的所有性能表征手段中，伏安特性測試是最直觀、最有效、應用最廣泛的一種方法．通過測量伏安特性曲線，并進一步進行數據分析處理，可以直接了解到光伏器件的各項物理性能，包括光電轉換的效率、填充因子等．這些數據可以為光伏器件的研究、質檢以及應用提供可靠的依據(見圖3)．

圖3 在一定光照強度下太陽能電池的伏安特性最大功率點(Umax，Imax)

在固定的光照強度下，光電池的輸出功率取決于負載電阻R．太陽能電池的輸出功率在最佳負載電阻Rbest時，達到最大功率為

Pmax=UmaxImax

(1)

且有

(2)

式(2)中F稱為填充因子．某狀態下F越大，太陽能電池板的品質越高[4]．

波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同．可見光的波長范圍在390～770 nm之間．622～770 nm，感覺為紅色；597～622 nm為橙色；577～597 nm為黃色；492～577 nm為綠色；455～492 nm為藍靛色；455～390 nm為紫色．不同顏色的光對應的能量也不同，根據光電效應，對于光電子的能量Ee，入射光頻率ν，應該有以下關系式成立

面向日益復雜多樣的環境問題，西方傳統科學逐漸形成環境科學群，包括環境自然科學和環境社會科學兩大類別。McNeill[8]9曾說：“環境涉及的學科之多，達到了知識追求所能達到的地步。”話語理解的多向度本質和環境科學群的形成決定了環境話語理解的多向度本質和環境話語研究的多學科向度。環境話語研究主要關涉的環境分支學科有生態語言學、環境社會學、環境傳播學、環境政治學、環境地理學、環境史學等。

Ee=hν

(3)

其中h為普朗克常量，而不同顏色的光具有不同的波長，也意味著有不同的頻率ν和能量hν，內部光電子的能量Ee也就不同，所以太陽能電池板的伏安特性曲線也會隨之發生改變，最大功率點亦會偏移．

3 實驗步驟

(1)利用分光光度計測出各個濾光片的透射譜．

(2)將裝置電源打開，預熱3 min．

(3)將不同顏色(紅、黃、藍、紫)的自制濾光片插入裝置相應插槽，調節旋鈕，改變輸出電壓U和輸出電流I．

(4)在輸出電壓較小(小于2 V)時，每變化0.1 V記錄一次數據；在輸出電壓較大(大于2 V)時，每變化0.01 V記錄一次數據．

4 實驗數據的測量及分析

(1)利用分光光度計測出不同濾光片的透射譜，如圖4所示．基于此圖可以得到如下信息.

圖4 四種不同顏色的濾光片的透射譜

1)紫光濾光片幾乎在被測全波長范圍內的透光強度均大于藍色濾光片的透射光強度；

2)紅色濾光片約在波長大于550 nm的范圍內的透射光強度明顯大于藍色、紫色濾光片，而在小于550 nm的范圍內則小于藍、紫兩種濾光片；

3)黃色濾光片透射光在波長集中在大于500 nm的范圍內，且在這一范圍內，其光強較其他濾光片最大；但在波長小于500 nm的范圍內，其透射光強度則遠小于其他3種濾光片．

(2)使用太陽能電池特性測試裝置，通過直接測量，可讀出不同濾光片透射情況下的輸出電流和輸出電壓，數據見表1．

表1 四種不同顏色濾光片輸出I-U數據

由已測得的被測太陽能電池片的面積數據，再根據表中數據，采用Origin8.0軟件擬合出不同波長下電池片的J-U圖像(如圖5)，圖中JRed、JYellow、JPurple和JBlue分別表示在同一輸出電壓下，紅色、紫色、藍色濾光片對應的輸出電流密度．

圖5 電池片伏安特性曲線

結合公式(1)和公式(2)可近似計算出各波長相應的最大功率密度、短路電流和填充因子，如表2所示．

表2 四種不同顏色濾光片對應電池的重要參數

根據圖5和表2數據，可以得到：

1)不同顏色的濾光片對電池的開路電壓和填充因子F幾乎不產生影響；

2)紫色濾光片對應的最大功率、短路電流均大于藍色的濾光片，但小于紅色和黃色濾光片；

3)采用紅色濾光片的太陽能電池最大功率、短路電流大于藍色和紫色兩種濾光片，小于黃色濾光片；

4)黃色濾光片的測試最大功率和短路電流在4種濾光片中最大．

5 實驗結論

根據上文的對比、分析，可以得出以下結論：

(1)被測單晶硅材料的電池片對暖色熱光源響應明顯，即當波長較大的光(如紅、黃光)照射時，電池片的功率相對較高；而在波長較短的光(如藍、紫光)范圍內響應較弱，電池板功率相對較低；

(2)波長較長的光的光強變化對電池片的最大功率影響顯著，而波長較短的光的光強變化對電池片最大功率影響微弱；

(3)不同波長的光主要影響電池片的短路電流密度Jsc的大小，對開路電壓Uoc、填充因子F幾乎沒有影響；

參考文獻

1 李振全，徐云亮,等.幾種太陽能電池組件比功率發電量的模擬與比較.電工電氣，2010(4):30～32

2 王殿元,王慶凱,等.硅太陽能電池光譜響應曲線測定研究性實驗.物理實驗，2007,27(9):8～10

3 唐爽，岑剡.利用硅光電池測量單晶硅半導體材料的禁帶寬度.物理實驗，2008,28(11):6～8

4 唐敏，任奇.一種太陽能電池最大功率點跟蹤的算法研究.通信電源技術，2007，24(4):12～17