基于數理方法對太陽能電磁基本特性的若干新研究

肖樂樂+馬玲+高建華+段彬+游仁青+田曉倩+呂波

【摘要】 對單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池的特性進行研究，利用太陽能基本特性實驗儀，定量測量分析它們的暗伏安特性、開路電壓與短路電流隨光強變化關系、光強一定時太陽能輸出特性（電壓、電流、功率）、遮擋對太陽能電池電池輸出的影響。

【關鍵詞】 太陽能 電壓 電流 功率

引言：太陽能是可再生資源，不但數量巨大，用之不竭，而且不會產生環境污染，所以應用太陽提供能源是必然趨勢。太陽能電池主要有硅太陽電池、化合物太陽能電池、聚合物太陽能電池、有機太陽能電池等，其中硅太陽能電池在應用中占主導地位。前人對太陽能電池基本特性的研究已經比較完備：茅傾青利用光功率測定儀和濾色片，定量分析在不同光照照射下以及在不同截至波長的光照射下，太陽能電池特性參量的變化規律；袁鎮從太陽能原理出發，論述了太陽能電池特性的短路電流、開路電壓和填充因子等以及外界條件對它們的影響。本實驗利用太陽能基本特性實驗儀，運用簡單的電學公式，研究3種太陽能電池的伏安特性、輸出特性。

一、原理太陽能電池利用半導體P-N結受光照射時的

光伏效應發電，太陽能電池的基本結構就是一個大面積平面P-N結。P型半導體中有相當數量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結合在一起形成P-N結時，N區的電子（帶負電）向P區擴散，P區的空穴（帶正電）向N區擴散，在P-N結附近形成空間電荷與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向做漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過P-N結的凈電荷為零。在空間電荷區內，P區的空穴被來自N區的電子復合，N區的電子被來自P區的空穴復合，使該區幾乎沒有能導電的載流子，又稱結區或耗盡區。

當光電池受光照射時，部分電子被激發而產生電子-空穴對，在結區激發的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區和P區，使N區有過量的電子而帶負電，P區有過量的空穴而帶正電，P-N結兩端形成電壓，這就是光伏效應，若將P-N結兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。

二、實驗方法

1、硅太陽能的暗伏安特性測量。用遮光罩罩住太陽能電池，測量在無光條件下，3種太陽能電池在兩端電壓逐漸增大時的電流。繪制3種太陽能電池的伏安特性數據與曲線

2、3種太陽能電池開路電壓與短路電流與光強關系的測量。將太陽能電池與電流表串聯。調節光源到太陽能電池的距離，以改變光強。分別放上單晶硅、多晶硅、非晶硅3種太陽能電池。繪制3種太陽能開路電壓隨光強變化曲線。

3、遮擋對太陽能電池輸出的影響。由于太陽能電池工作電流接近短路電流，故可測量遮擋對短路電池的影響。將太陽能電池與電流表串聯。遮擋太陽能電池的不同面積，記錄短路電路。

三、結論

1、在無光情況下，單晶硅、多晶硅太陽能電池開始電流幾乎不隨電壓改變，當到達一定的電壓值，電流隨電壓增大很快。非晶硅太陽能電池電流隨電壓增大而增大，速率先快后慢再快。

2、多晶硅、非晶硅兩種太陽能電池開路電壓隨光強增大，單晶硅電池開路電壓有最大的開路電壓，最大值兩端呈拋物線下降。三種太陽能的短路電流隨光強的增大而增大。

3、太陽能電池有最大功率點，最大功率為381.6mw。

4、橫向遮擋太陽能電池，遮擋面積越大，電流越小。縱向遮擋太陽能電池，遮擋面積達50%，電流趨近于零。

本文運用簡單的電學知識，對太陽能電池的基本特性進行了研究，對初步了解太陽能有所幫助。

參 考 文 獻

[1] 茅傾青、潘立棟、陳俊逸、陸申龍.[太陽能電池基本特性測定實驗]第三屆全國高等學校物理實驗教學研討會2004.11

[2]袁鎮、賀立龍[太陽能電池的基本特性]《現代電子技術》，1999年，第24卷

[3]苗建勛、李水泉、石發旺、曹萬民、武金樓[太陽能基本特性研究]《大學物理實驗研究》，1996年，第4期