基于数理方法对太阳能电磁基本特性的若干新研究

肖乐乐+马玲+高建华+段彬+游仁青+田晓倩+吕波

【摘要】 对单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池的特性进行研究，利用太阳能基本特性实验仪，定量测量分析它们的暗伏安特性、开路电压与短路电流随光强变化关系、光强一定时太阳能输出特性（电压、电流、功率）、遮挡对太阳能电池电池输出的影响。

【关键词】 太阳能 电压 电流 功率

引言：太阳能是可再生资源，不但数量巨大，用之不竭，而且不会产生环境污染，所以应用太阳提供能源是必然趋势。太阳能电池主要有硅太阳电池、化合物太阳能电池、聚合物太阳能电池、有机太阳能电池等，其中硅太阳能电池在应用中占主导地位。前人对太阳能电池基本特性的研究已经比较完备：茅倾青利用光功率测定仪和滤色片，定量分析在不同光照照射下以及在不同截至波长的光照射下，太阳能电池特性参量的变化规律；袁镇从太阳能原理出发，论述了太阳能电池特性的短路电流、开路电压和填充因子等以及外界条件对它们的影响。本实驗利用太阳能基本特性实验仪，运用简单的电学公式，研究3种太阳能电池的伏安特性、输出特性。

一、原理太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的

光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散，P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向做漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电荷为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区几乎没有能导电的载流子，又称结区或耗尽区。

当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子-空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。

二、实验方法

1、硅太阳能的暗伏安特性测量。用遮光罩罩住太阳能电池，测量在无光条件下，3种太阳能电池在两端电压逐渐增大时的电流。绘制3种太阳能电池的伏安特性数据与曲线

2、3种太阳能电池开路电压与短路电流与光强关系的测量。将太阳能电池与电流表串联。调节光源到太阳能电池的距离，以改变光强。分别放上单晶硅、多晶硅、非晶硅3种太阳能电池。绘制3种太阳能开路电压随光强变化曲线。

3、遮挡对太阳能电池输出的影响。由于太阳能电池工作电流接近短路电流，故可测量遮挡对短路电池的影响。将太阳能电池与电流表串联。遮挡太阳能电池的不同面积，记录短路电路。

三、结论

1、在无光情况下，单晶硅、多晶硅太阳能电池开始电流几乎不随电压改变，当到达一定的电压值，电流随电压增大很快。非晶硅太阳能电池电流随电压增大而增大，速率先快后慢再快。

2、多晶硅、非晶硅两种太阳能电池开路电压随光强增大，单晶硅电池开路电压有最大的开路电压，最大值两端呈抛物线下降。三种太阳能的短路电流随光强的增大而增大。

3、太阳能电池有最大功率点，最大功率为381.6mw。

4、横向遮挡太阳能电池，遮挡面积越大，电流越小。纵向遮挡太阳能电池，遮挡面积达50%，电流趋近于零。

本文运用简单的电学知识，对太阳能电池的基本特性进行了研究，对初步了解太阳能有所帮助。

参 考 文 献

[1] 茅倾青、潘立栋、陈俊逸、陆申龙.[太阳能电池基本特性测定实验]第三届全国高等学校物理实验教学研讨会2004.11

[2]袁镇、贺立龙[太阳能电池的基本特性]《现代电子技术》，1999年，第24卷

[3]苗建勋、李水泉、石发旺、曹万民、武金楼[太阳能基本特性研究]《大学物理实验研究》，1996年，第4期