“光伏材料與器件檢測技術”實驗教學設計

孫盼盼+++戴雷+++黃妞+++孫小華

【摘要】作為新能源材料與器件專業的一門專業拓展課程，該課程致力于培養學生光伏材料與器件方面的專業操作技能，畢業后具備在該領域技術開發和科學研究領域工作的能力。本文結合該專業課程開設情況，對光伏材料與器件檢測技術的實驗教學內容進行了設計。

【關鍵詞】新能源材料與器件 光伏材料與器件 實驗教學設計

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）02-0237-01

一、引言

2014年，在外部有利政策和勢場需求的驅動下，中國的光伏市場迅速發展，光伏制造產能位居全球第一，終端應用市場也步入了全球第二。產業的發展形勢將直接影響人才的需求動態，為了增強人才培養的市場針對性，我校開設了《光伏材料與器件檢測技術》課程[2-3]，培養學生光伏方面的專業操作技能。本文對相關實驗進行了設計，實驗內容由材料到器件，由基礎到專業，下面對實驗設計進行具體闡述：

二、光伏材料性能檢測實驗設計

1.太陽光輻射光譜檢測

由于太陽輻射到達地球表面必須要經過大氣層，大氣層對太陽輻射的吸收、反射和散射導致不同地區、不同季節以及一天中不同時間地面所接收到的太陽輻射光譜有很大差異[1]。大氣對地球表面接收太陽光的影響程度用大氣質量（AM）描述，國際上選取大氣質量AM1.5作為太陽能電池效率測試的標準，其輻照功率為1kW/m2。

本實驗為驗證型實驗，要求同學們通過用美國Ocean Optics公司的USB4000型光纖光譜儀測試太陽光光譜，認識太陽光能量的不穩定性以及設置標準光源條件的必要性。

2.半導體材料光吸收性質測試

太陽能電池對光的吸收效率直接影響其光電轉換效率，而光吸收效率取決于材料對光的吸收能力，所以光伏材料的選擇至關重要。禁帶寬度是決定半導體性質的重要參數，根據半導體帶間躍遷的基本理論，只有光子能量大于或等于半導體的禁帶寬度才會存在光吸收，而且光吸收系數與光子能量之間存在一定的關系。

本實驗為設計型實驗，實驗內容和方法：（1）測試不同材料的吸收光譜；（2）測試同一材料不同厚度情況下的吸收光譜；（3）繪制吸收光譜曲線，探究影響材料光吸收能力的因素。通過本實驗要求同學們掌握用雙光束紫外可見分光光度計測試半導體材料吸收光譜的方法，并獲得太陽能電池材料的選擇依據。

三、光伏器件性能檢測實驗設計

1.太陽能電池基本特性測試

太陽能電池的特性由伏安特性曲線（I-U曲線）來表示，表征一定光照和環境溫度為300K條件下，電流和電壓的函數關系。在太陽能電池的正負極兩端，連接一個可變電阻R，在一定的光照和溫度下，改變電阻值，使其由零（短路）變到無窮大（開路），同時測量通過電阻的電流和電阻兩端的電壓 ，即可得到太陽能電池的I-U曲線。I-U曲線在電壓軸上的截距稱為開路電壓（Uoc），在電流軸上的截距稱為短路電流（Isc）。短路電流Isc和開路電壓Uoc與入射光強相關，一般地，短路電流Isc隨光強呈線性增長，而開路電壓Uoc隨光強呈對數增長，并逐漸達到最大值。

本實驗為設計型實驗，實驗內容：（1）測試不同負載下太陽能電池的I-U曲線，求出在此光照條件下太陽能電池的短路電流Isc、開路電壓Uoc以及最大輸出功率Pm、填充因子FF=Pmax/IscUoc；（2）測試不同光強下太陽能電池的短路電流和開路電壓，并繪制曲線；（3）測試太陽能電池在不同入射角下的短路電流和開路電壓，并繪制曲線。通過本實驗要求同學掌握太陽能電池電流-電壓特性并對其進行評價，以及短路電流、開路電壓隨光照強度和入射角度的變化特性。

3.太陽能電池量子效率測試

太陽能電池的量子效率QE，或稱光譜響應，是太陽能電池在不同波長光照條件下的光電轉換特性，具體的是指太陽能電池收集到的電子-空穴對數目與入射到太陽能電池表面的光子數目之比。太陽光強度隨波長變化而不同，因此，量子效率反映了太陽能電池對入射到表面的各個波長的光的響應情況，因此也是衡量光伏器件性能的關鍵指標。

本實驗為演示型實驗，實驗內容：（1）認識太陽能電池量子效率測試系統；（2）測試太陽能電池的量子效率；（3）繪制太陽能電池量子效率曲線，通過曲線評價太陽能電池光響應特性。

四、總結

結合本校新能源材料與器件專業基礎，對《光伏材料與器件檢測技術》課程的實驗教學進行了設計。設計與該專業理論基礎緊密契合，可以充分調動學生的主觀能動性。通過實驗的開展，要求學生掌握光伏材料與器件性能的基本檢測手段和評價方法，培養學生的實驗設計能力、專業實驗操作技能和專業研究素質，使學生步入社會后，具備從事該領域工作的基本能力。

參考文獻：

[1]于勝軍.太陽能光伏器件技術[M].電子科技大學出版社，2011.

[2]曾惠丹，楊云霞等.新能源材料與器件專業實驗教學探討[J].實驗室研究與探索，2012， 31（10）：109-111.

[3]杜柯.新能源材料與器件新專業教學之淺見[J].湖北函授大學學報，2011，24（8）：91-92.endprint