基于半導體制冷片的太陽能電池溫度特性實驗研究

穆瑞珍

摘要：在現有太陽能電池特性教學實驗儀的基礎上，設計了基于半導體制冷片的太陽能電池溫度特性實驗，拓展了太陽能電池的實驗內容。實驗結果與理論相符，很好的驗證了溫度對太陽池開路電壓、短路電流及其光照特性的影響。

關鍵詞：太陽能電池，開路電壓，短路電流，溫度特性

1、 引言

太陽能光伏發電技術是現階段最具前途的發電技術。太陽能電池作為光伏發電的電源裝置，其特性測試對提高其生產工藝水平和性能研究有重要的參考價值。然而太陽能電池發電的過程是個放熱過程，溫度的升高會降低硅半導體的禁帶寬度，使其伏安特性變差。隨著光伏電池溫度的升高，開路電壓明顯減小，而短路電流略有上升，太陽能電池轉換效率降低【1】。因此，溫度是影響太陽能電池光電轉換效率的重要因素之一，要提高太陽能的發電效率，必然避不開對溫度特性的研究。

傳統太陽能電池特性測量的實驗裝置，主要研究太陽能電池的光照特性、I-V特性和負載特性，無法對溫度特性進行測量。本文研制了基于半導體制冷片的溫度控制裝置，并在此基礎上，測量不同溫度條件下太陽能電池光照特性、I-V特性等參數的變化情況。

2、 原理

2.1太陽能電池

太陽能電池的主要結構是PN結，在沒有光照時其特性可視為一個二極管，由二極管特性，可得到二極管電流Id為：

（1）

式中：IS為反向飽和電流，k為玻爾茲曼常數，T為絕對溫度，q為電子電量，V為結電壓。

當光照射在太陽能電池表面的PN結上時，只要入射光子的能量大于半導體材料的能隙，則光子被太陽能電池吸收而產生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內電場的影響而產生光電流。以恒定速率產生的電子-空穴對提供了通過PN結的電流，如圖1所示，EC為半導體導電帶，EV為半導體價電帶。

太陽能電池輸出的凈電流I是其光生電流和二極管電流之差，如圖2所示，故光照條件下太陽能電池的伏安特性可表示為：

（2）

當太陽能電池的輸出端短路時，即V=0，由（2）式可得到短路電流：ISC=Iph

當太陽能電池的輸出端開路時，即I=0，意味著Iph=Id，由（2）式可得到開路電壓：

（3）

填充因子是太陽能電池的一個重要指標，其定義為最大功率與開路電壓與短路電流

（4）

隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流略微增加，而開路電壓和填充因子線性減小，導致輸出功率和轉換效率隨溫度升高而下降。

2.2半導體制冷原理

半導體制冷是以溫差電現象為基礎的制冷方法，它是利用“塞貝克”效應的逆效應-“帕爾帖”效應的原理達到制冷目的。將兩種不同半導體材料組成兩個接點，形成閉合回路，如果兩接點的溫度不同時，就會在回路中產生一個電勢差，這種現象稱為溫差電效應，也稱為塞貝克效應。反之，在兩種不同半導體組成的閉合回路中，若通以直流電，就會使一個接點變冷，一個接點變熱，從而形成溫差，這稱為“帕爾帖”效應。因此，通過控制電流的方向和大小，可以實現制冷/加熱的目的。半導體制冷的優點在于無制冷劑，無噪聲，不污染環境，體積小，重量輕，而且可電流反向加熱，非常方便地實現冷卻和加熱兩種目的。

3、 實驗系統結構框圖

實驗系統主要由光源、太陽能電池板、制冷模塊和溫顯模塊等部分組成，如圖3所示。實驗采用3個制冷模塊，并分別在單個模塊工作、兩個模塊工作和三個模塊全部工作的情況下實現對太陽能電池板工作環境溫度的改變，并用溫度顯示模塊記錄高、中、低三個不同的實驗溫度。

3.1光源

為較好的模擬太陽光，白光光源選用碘鎢燈，其發光光譜跟太陽光的光譜較為接近；基于現有實驗條件，太陽能電池板選用普通單晶硅太陽能電池，其受光面積為150*150mm。這里光源和電池板采用FB736A型太陽能電池特性研究實驗儀里的配件，可直接使用。

3.2制冷模塊

半導體制冷器的基本元件是熱電偶對，在帕爾貼效應的基礎上實現的。本實驗選用半導體制冷片TEC1-12706作為制冷元件，該制冷片最大產冷功率為58W，最大工作電壓為15V，最大工作電流為5.8A，最大溫差為67℃。要達到較好的制冷效果，除選用合適的電壓電流外，熱端要有良好的散熱條件，冷端也要有良好的導冷條件。如圖4所示，這里散熱器采用純銅導熱管中加入制冷凝液，配合鋁合金散熱陣列，可更快傳遞熱量，提高制冷效率。

3.3溫度顯示模塊

溫度顯示模塊由數顯溫度控制器與溫度傳感器探頭組成，采用深圳興達恒業科技的XD-W2308數顯溫控器和NTC熱敏電阻溫度傳感器。該溫控器測量精度為±0.1℃，測溫范圍可達-55℃～120℃，刷新頻率0.2S，環境要求為-10℃～60℃，濕度要求20%～85%，可以滿足本實驗使用。選擇熱敏電阻作為本實驗的溫度傳感器是因為熱敏電阻具有高穩定性、小尺寸、靈敏和價格低等優點，每攝氏度可以改變幾百歐姆，靈敏度比熱電偶來得高。

4、 實驗方法與結果

4.1測量不同溫度下太陽能電池的光照特性：

把太陽能電池放在距離白光光源X0=20cm的水平距離接收到的光照強度作為標準光照強度J0，然后改變太陽能電池到光源的距離Xi，根據光照強度和距離成反比的原理，計算出各點對應的相對光照強度J/J0=X0/Xi的數值，分別在單個制冷模塊工作、兩個制冷模塊工作和三個制冷模塊工作的情況下，測量不同溫度下太陽能電池的短路電流ISC和開路電壓UOC與相對光強的函數關系。

測量結果如圖5和圖6所示：隨著溫度升高，太陽能電池的短路電流增加，開路電壓減小。這是因為溫度的升高降低了材料的禁帶寬度，使更多的光子激發電子躍遷，進而產生更大的光生電流；另一方面，溫度的上升使太陽能電池的暗電流呈指數增大，而開路電壓隨著暗電流的增加而降低，所以開路電壓隨著溫度升高而減小，且開路電壓減小的程度要大于短路電流增加的程度。

4.2測量不同溫度下太陽能電池的I-V特性：

將太陽能電池作為電源與負載連成一個回路，在白光光源照射下，測量太陽能電池在不同負載電阻下，太陽能電池的輸出電流I對輸出電壓U的變化關系曲線。分別在單個制冷模塊工作、兩個制冷模塊工作和三個制冷模塊工作的情況下，三次測量太陽能電池的I-V特性，測量結果如圖7所示。同時可得到太陽能電池的最大輸出功率值及其對應的負載電阻，如圖8所示。

5、結束語

溫度是影響太陽能電池效率的一個重要因素。本文設計了基于半導體制冷片的太陽能電池溫度特性實驗，實驗結果很好的驗證了溫度對太陽能電池光照特性的影響：溫度升高使得太陽能電池短路電流小幅升高，開路電壓明顯降低，光電轉換效率明顯下降。該實驗有利于學生在完成傳統太陽能電池基本特性實驗的基礎上，拓展了實驗內容，能更好的理解太陽能電池的溫度特性。

參考文獻：

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[2]吳國盛，聞騰，王振文，劉淑平. 太陽能電池的溫度特性研究[J]. 通信電源技術，2013，30（1）：19-22.

[3]茅傾青，潘立棟，陳駿逸，陸申龍. 太陽能電池基本特性測定實驗[J]. 物理實驗，2004，24（11）：6-8.

[4]李冰. 半導體制冷技術及其發展[J]. 山西科技，2009（7）：95-101.

[5]江松月，閻平，劉振玉.光電技術與實驗[M]. 北京：北京理工大學出版社，2007.

基金項目：福建省教育廳中青年科研項目（JB14080），廈門理工學院教育教學改革與建設項目（JGY201624）