Origin在太陽能電池基本特性測定實驗中的數據處理及分析

萬步勇 苑進社 馮 慶

（重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 400047）

Origin在太陽能電池基本特性測定實驗中的數據處理及分析

萬步勇 苑進社 馮 慶

（重慶師范大學物理與電子工程學院，重慶 400047）

本文測試了太陽能電池的輸出特性，并利用Origin軟件對實驗數據進行了計算、繪圖和數據擬合，得到較好的實驗結果.表明Origin軟件為大學物理實驗提供了一種簡便、適用的實驗數據處理方法，提高了實驗教學效果.

Origin軟件；物理實驗；太陽能電池；教學

1 引言

太陽能光伏發電在未來電力供應和社會發展中占有重要的地位，合理利用太陽能這種清潔、綠色能源，是解決能源危機和環境污染的有效途徑之一.太陽能電池是光伏發電系統的核心部件，研究和有效利用太陽能電池是21世紀新型能源開發的重點課題［1，2］.為迎接新能源技術挑戰，認識和掌握太陽能電池的一些基本特性和方法對當代大學生是非常有必要的.太陽能電池基本特性測定實驗是面向理工科大學生開設的一個綜合設計性的普通物理實驗，實驗教學中，本實驗傳統的實驗數據處理方法多采用坐標紙手工繪圖的方法，手工畫曲線、并手工作曲線的延長線求電池的特征參數，對數據擬合無能為力，并且每一步誤差都會很大，耗時多.而Origin是目前公認為最快、最靈活、使用最容易的科技繪圖軟件［3，4］.本文利用Origin軟件強大的繪圖分析功能繪制出精美的圖表，清晰展示太陽能特性數據，并對電池的I—V曲線進行數據擬合，從而方便快速得到太陽能電池的基本參數.

2 實驗及數據處理原理

太陽能電池的主要結構為PN結，能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子的能量轉化為電能.在沒有光照時，可將太陽能電池視為一個理想的二極管，其正向偏壓V與通過的電流I的關系為其中，I0是二極管的反向飽和電流；n是理想二極管參數，理論值為1；k是玻爾茲曼常量；q為電子的電荷量；T為熱力學溫度.

在有光照的情況下，只要入射光子的能量大于半導體材料的禁帶寬度，則光子將被太陽能電池吸收而產生電子－空穴對.以恒定速率產生的電子－空穴對提供了通過結的電流.太陽能電池的理論模型可視為由一理想電流源（光照產生光電流的電流源）、一個理想二極管、一個并聯電阻Rsh與一個電阻Rs所組成，如圖1所示.

圖1 太陽能電池的等效電路圖

由等效電路可得，流入負載RL的電流為I，負載電壓V有當負載RL從零變化到無窮的時候，就可以根據上式畫出太陽能電池的負載曲線（伏安特性曲線.）若改變RL到某一個特定值Rm時，其在伏安曲線上得到一個點M，對應的工作電流與工作電壓之積最大（Pm＝ImVm），此點M為該太陽能電池的最大功率點.其中，Im為最佳工作電流；Vm為最佳工作電壓；Rm為最佳負載電阻；Pm為最大輸出功率.

根據其輸出伏安特性曲線，可計算出太陽能電池的一些重要參數：如開路電壓Voc，短路電流Isc，Im，Vm，Pm，填充因子FF（FF＝Pm/（Isc·Voc）），串聯電阻Rs，并聯電阻Rsh等.

3 數據測量及Origin數據處理

（1）太陽能電池伏安特性測定

實驗儀器為FB736型太陽能電池特性實驗儀，電池為8×1cm×1cm的硅電池.在不加偏壓，保持白光源到太陽能電池的距離為20cm，光功率J＝1.328mW，依次改變滑動變阻器的阻值，測其太陽能電池的輸出電流I與輸出電壓V之間的關系，其數據如表1所示.

表1 在1.318mW光照下太陽能電池的伏安特性數據（I＝V/R）

啟動Origin，軟件默認打開一個worksheet窗口，該窗口默認為A、B兩列，將表1中的R和V列的數據分別粘貼到worksheet窗口的A、B兩列，選Column中Add New Column添加新列，選中該列，點擊右鍵選Set Column Values，編輯電流I的計算式：col（B）/col（A）＊1000，Origin即自動將計算值填入該列.選中B列與C列的數據，右Plot菜單下選Scatter，繪出數據的散點圖，Analysis菜單中選Fit Sigmoidal，軟件將同時自動進行曲線擬合，畫出擬合的曲線（如圖2所示）.同時在Result Log窗口輸出擬合結果的相關參數.

從圖2（a）發現，擬合曲線與測量值之間符合得非常好，擬合相關度達0.99986，其擬合曲線 方 程 為根據擬合曲線，得到輸出功率P隨電壓V的關系（此圖略），求出最佳功率，通過曲線過坐標軸的點可得到開路電壓和短路電流，如圖2（a）所示.其結果如下：Voc＝3.142V，Isc＝1.226mA，Vm＝2.220V，Im＝0.989mA，Pm＝2.194mW，Rm＝2245.827Ω，FF＝56.97%.

對并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs的近似求解，考慮V→0時，式（1）的漸進行為，針對硅電池一般有：Id?IL，Rs?Rsh，即式（1）變為

表明在V→0時，曲線具有較好的線性關系，對式（2）求微分，得同理，當V→Voc時，化簡得

表明在V→Voc時，曲線具有較好的線性關系，對式（3）求微分，得

因此，只需對太陽能電池的I—V曲線進行微分，在V→0和V→Voc處可分別得到并聯電阻Rsh和串聯電阻Rs.

在Origin界面上，雙擊擬合的I—V曲線，進入Plot Details界面，選中layer1中的擬合數據，點擊worksheet，顯示出擬合數據，并畫出擬合數據的散點圖，Analysis菜單中選Calculus－Differentiate，界面顯示出微分圖（如圖2（b）所示）.其中的插圖是對V→0范圍內的圖形進行放大.根據V→0和V→Voc處的微分值可得到并聯電阻Rsh＝1.49×105（Ω）和串聯電阻Rs＝4.96×102（Ω）.電池具有較高的串聯內阻，這必將降低電池的填充因子，降低電池的效率，這與電池的填充因子只有56%左右的結論是一致的，表明該電池性能低下，這可能與電池老化有關.

（2）短路電流Isc、開路電壓Voc與相對光強的關系

為了了解電池開路電壓和短路電流與相對光強之間的關系.實驗中，通過改變電池到光源的距離來改變光強，測試不同光強下，電池的輸出特性，其結果如表2所示，表中J為不同x（電池—光源距離）的光強，J0為x＝20cm的光強.

續表

在Origin界面中，如上述操作，分別畫出短路電流Isc、開路電壓Voc與相對光強J/J0之間的關系.如圖3所示.并對Isc～J/J0關系進行了線性擬合，對Voc～J/J0進行了以函數Voc＝a－bln（J/J0＋c）關系進行了擬合，結果如圖3所示，結果與理論一致.

圖3 太陽能電池短路電流（a）、開路電壓（b）與相對光強的關系曲線圖

4 結束語

本文對太陽能電池板的輸出特性進行了測試，并以Origin對實驗數據進行了繪圖及數據處理.根據電池的I—V曲線，得到了電池的特征參數.結果表明，使用Origin軟件進行實驗數據處理和數據擬合，不僅操作過程簡單，繪圖精確美觀，參數詳細，避免了手工繪圖過程中主觀因素造成的誤差，可以方便、快速、準確地處理實驗數據，大大提高了同學們進行物理實驗的興趣和自我學習的能力.

［1］ 黃慶舉，林繼平，魏長河，姚若河.硅太陽能電池的應用研究與進展［J］.材料開發與應用，2009，24（6）：93～96

［2］ 王麗英.基于下轉換原理的高效晶體硅太陽能電池研究取得進展［J］.今日電子，2010，10：28～28

［3］ 葉衛平，方安平，于本方.Origin 7.0科技繪圖及數據分析［M］.北京：機械工業出版社，2004

［4］ 金園園，盧成，李根全.Origin8.0在普朗克常數測定實驗中的應用［J］.物理與工程，2010，20（6）：31～34

DATA PROCESSING AND ANALYSIS WITH ORIGIN IN THE EXPERIMENT OF BASIC CHARACTERISTICS
MEASUREMENT OF A SOLAR CELL

Wan Buyong Yuang Jinshe Feng Qing
（College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 400047）

In this paper，the output characteristics of a solar cell are measured.The experimental data is calculated，mapped and fitted by the Origin software，and the better results are obtained.Our work reveals that the Origin software provides a simple and applicable data processing method for the college physics experiment，which improves the effectiveness of the experimental teaching.

Origin software；physics experiment；solar cell；teaching

2011－10－07）

國家自然科學基金（61106129）、重慶教委項目（KJ080819）、重慶師范大學博士啟動基金（No.10XLB020）.

萬步勇（1976年出生），男，四川簡陽人，重慶師范大學物理與電子工程學院講師，博士，主要從事物理教學和納米功能材料的研究.