拓展太阳能光伏电池特性综合实验的教学探索

肖文波，颜 超，张华明，王 庆

（南昌航空大学 大学物理教研部，江西 南昌 330063）

拓展太阳能光伏电池特性综合实验的教学探索

肖文波，颜 超，张华明，王 庆

（南昌航空大学 大学物理教研部，江西 南昌 330063）

太阳能电池基本特性测定是目前大学开设的常规实验，其主要是对电池的伏安特性作初步的分析和研究．为了拓展实验内容，进一步培养学生的综合知识能力，本文借助光伏效应实验仪，设计并开展了评价光伏电池内部性能的串联电阻等5个特征参数提取实验．结果表明，温度变化对电池电流影响小，而对电压影响大；此外，还发现温度变化对电池串联电阻影响最小，而对反向饱和电流影响剧烈．该实验不仅可以帮助学生掌握光伏电池的I-V特性及I-V特性对温度的依赖关系，更重要是通过实验数据分析与处理学习，帮助学生理解光伏电池内部本征参数随温度的变化规律，培养学生分析问题和解决问题的能力．

光伏电池；内部参数提取；温度效应

光伏发电是新能源与可再生能源发展的重要领域，因此许多国家重视光伏电池相关领域的研究．为此，许多高校在物理实验或专业实验中开设了相关的实验内容，目的是激发学生的学习兴趣，且具有新颖性和实用价值［1］．这些光伏电池特性实验，包括设计新型电池并对其光电性质研究［2］，电池的光谱特性研究［3］，电池的输出功率与负载匹配特性研究［4］，电池的短路电流等随光强变化规律研究［5，6］．但这些开设的光伏电池相关实验大都是单一的、以演示和验证为主的传统实验教学模式［7-9］．这些实验没有开展评价光伏电池内部性能的特征参数研究，尤其是针对光伏电池等效电路内部串联电阻、并联电阻、光生电流、理想因子、反向饱和电流等5个参数的研究．为此，我们设计了一套拓展太阳能光伏电池特性综合实验，目的是帮助学生掌握光伏电池的I-V特性及I-V特性对温度的依赖关系；更重要的是通过实验数据分析与处理的方法学习，帮助学生理解光伏电池内部光生电流等5个本征参数随温度的变化规律.

1 实验系统及测试内容

实验系统是采用成都世纪中科仪器有限公司生产的ZKY-SAC-Ⅲ太阳能光伏电池测量系统，见图1．系统包括：太阳能光伏电池测试仪、氙灯电源、氙灯光源和电池片．实验操作和显示由计算机软件完成．测量对象是28 mm×25 mm单体单晶硅光伏电池（QSSolar公司生产GX型）的I-V曲线．测试系统中太阳模拟器、样品和控温设备封闭在一暗箱中；模拟太阳光垂直入射到样品表面，样品温度通过半导体制冷贴片变温，变温精度为±0．1℃．具体测量包括：光强为1 000．02 W／m2，温度分别为 10℃、20℃、30℃时的I-V曲线．

图1　测量设备

2 提取参数理论依据

在恒定光照下光伏电池等效电路如图2所示，根据固体物理学和电子学理论可得光伏电池电流电压（I-V）输出方程［10］：

式中，I为电池输出电流；Iph为电池光生电流；I0为电池反向饱和电流（电流单位为A）；V为电池输出电压（单位V）；Rs为电池串联电阻（单位Ω）；n为电池理想因子；Vth是热电压常数；Rsh为电池并联电阻（单位Ω）.

图2　光伏电池等效电路

首先，根据短路电流点（Isc，0）和开路电压点（0，Voc），将式（1）变化为仅含电池串联电阻、理想因子以及并联电阻的解析方程式；并获得光生电流和反向饱和电流解析表达式，分别为：

其次，利用光伏电池并联电阻远大于串联电阻、电池光生电流远大于反向饱和电流以及电池光生电流近似等于短路电流3个边界条件，将短路情况及开路情况下光伏电池电流电压输出方程式（1）的一阶微分求导方程约化为：

最后，将电池在最大功率点处电流电压值（Vm，Im）代入电池解析方程式（2），可得

由式（5）—式（7）3个封闭方程组，根据测量的电池光照下伏安特性曲线及其数值微分特征，解析出电池理想因子、并联电阻和串联电阻3个电池内部参数值.将得出的结果代入式（3）和式（4）中，求出光伏电池光生电流和反向饱和电流值2个电池内部参数值.

3 实验结果与讨论

图3是不同温度下的实验 I-V数据和拟合曲线.由图中我们可以看出，温度对电池输出特性影响明显；温度越高，开路电压越小，而短路电流几乎没有改变；原因是短路电流与入射光强几乎成正比，当光强没有改变的时候，短路电流几乎不改变；而开路电压主要由器件的禁带宽度影响，温度升高后，热电子激发增多，禁带宽度减少［11］.

图3　不同温度下的实验I-V数据和拟合曲线

图4是提取出的5个参数随温度的变化．从图4（a）可以看出光生电流随温度的增加而增加；原因是温度升高导致热电子激发增多照成的．且注意到光生电流是从0．027 4 A增加到0．028 3 A，增长了大约3%．这种变化相对于温度增加200%来说相当小；这也说明温度的变化对电流影响很小．从而间接证明了上面短路电流几乎不随温度变化的结果．从图4（b）与图4（c）可以看出，温度的变化对电池的串并联电阻、理想因子与反向饱和电流都有影响；并联电阻、串联电阻、理想因子与反向饱和电流的变化幅度分别约为：199%，1．2%，6．9%，439%．这说明温度对串联电阻影响最小，原因在于串联电阻主要由器件本征电阻决定［12］．其次，注意到反向饱和电流的变化幅度随温度变化最剧烈，原因是温度升高导致热激发增多后，复合也增加明显所致．

图4　提取出的5个参数随温度的变化

图5是实验与计算得到的电池填充因子和效率随温度的变化．从图中首先可以看出，无论是填充因子还是效率实验结果与理论计算结果都比较复合，误差都是在2%以内．这说明上述理论提取参数过程是正确的．其次，可以看出电池填充因子与效率随温度的变化都是先上升然后下降，原因在于电池温度略微增加的时候，热电子增多，电流增加，从而导致填充因子与效率增加；而当温度进一步增加的时候，半导体禁带宽度会随温度上升而明显减小，电压下降剧烈，所以电池填充因子与效率随后随温度上升而明显下降［13］．

图5　实验与计算得到的电池填充因子（FF）和效率（η）随温度的变化

4 教学效果

拓展太阳能光伏电池特性综合实验的开设收到了良好的教学效果．效果主要有：1）学生普遍认为题目紧跟科研与实际应用，所以学生学习兴趣明显增强，参与实验的主动性提高；2）实验的开展培养了学生理论联系实际的能力，把他们学习过的半导体物理知识、大学物理知识应用到解决实际工程问题上面来；3）实验的开展加强了学生matlab编程技能在面向工程应用时候的能力，以及相关的创新能力，真正做到学以致用；4）学生在实验结果的小组交流学习和讨论过程中，加强了分析问题和解决问题的能力，培养了学生团结协作的团队意识和严谨求实的科学态度，且知识面也得到了扩展．

5 结束语

光伏电池特性的开发和利用与当前的能源发展紧密相关．本实验从物理角度拓展光伏电池特性综合实验，它不仅帮助学生掌握光伏电池的I-V特性及I-V特性对温度的依赖关系；更重要是通过实验数据分析与处理方法的学习，帮助学生理解光伏电池内部本征参数光生电流等5个电性参数随温度的变化规律．总之，该实验的开展有利于学生掌握基本的知识及实验方法，以及这些基本方法在科学研究中的应用．

［1］ 高惠平，田建军，张振龙，等．太阳能光伏发电综合设计性实验教学探索［J］．实验科学与技术，2015，13（1）：100-102．

［2］ 吕孝鹏，邓雅丽，许元鲜，等．石墨烯／硅肖特基太阳能电池的光电特性［J］．物理实验，2013，33（5）：1-4．

［3］ 王殿元，王庆凯，彭丹，等．硅太阳能电池光谱响应曲线测定研究性实验［J］．物理实验，2007，27（9）：8-10．

［4］ 郭阳雪，孔祥洪，杨渭，等．硅太阳能电池输出功率与负载匹配特性［J］．实验室研究与探索，2011，30（7）：20-22．

［5］ 茅倾青，潘立栋，陈骏逸，等．太阳能电池基本特性测定实验［J］．物理实验，2004，24（11）：6-8．

［6］ 姜琳．太阳能电池基本特性测定实验——一个与能源利用有关的综合设计性实验［J］．大学物理，2005，24（6）：52-55．

［7］ 周朕，卢佃清，史林兴．硅光电池特性研究［J］．实验室研究与探索，2011，30（11）：36-39．

［8］ 师青梅，皮 伟．基于虚拟仪器技术的太阳能电池实验教学创新［J］．实验技术与管理，2013，30（2）：94-96．

［9］ 陈建，张月兰，钟菊花，等．太阳能电池特性实验中的计算机辅助测量［J］．大学物理实验，2010，23（2）：63-65．

［10］ 肖文波，刘萌萌，胡方雨，等．一种高精度解析提取太阳电池参数的新方法［J］．光电子＃激光，2013，24（10）：1889-1893．

［11］ Xiao W B，He X D，Gao Y Q．Experimental investigation on characteristics of low-concentrating solar cells［J］．Modern Physics Letters B，2011，25（9）：679-684．

［12］ 肖文波，刘萌萌，胡方雨，等．基于 Lambert W 函数提取太阳电池五参数的方法及光强对参数影响的规律［J］．科学通报，2014，59（36）：3615-3620．

［13］ Singh P，Singh S N，Lal M，et al．Temperature dependence of I-V characteristics and performance parameters of silicon solar cell［J］．Solar EnergyMaterials＆SolarCells，2008，92：1611-1616．

Teaching exploration of expanding comprehensive experiment of photovoltaic cell

XIAO Wen-bo，YAN Chao，ZHANG Hua-ming，WANG Qin
（The Center of University Physics Experiment Teaching，Nanchang Hangkong University，Nanchang，Jiangxi 330063，China）

The measuring electrical characteristics of solar cells are now routine experimentation in all university．The main content is a preliminary analysis and research of I-V characteristics．In order to expand the experiment content and further develop student’s ability，a new experiment is designed．In the new experiment，the five solar cell internal parameters（series resistance etc．）which can be used to evaluate the cell’s performance，are extracted．The results show that the cell’s current depends on the temperature weaker than its voltage．In addition，it is found that the temperature has minimal impact on the cell’s series resistance and a maximum impact on the cell’s reverse saturation current．This experiment can not only help students to master I-V characteristics and its temperature dependence，but also help students understand the temperature dependence of photovoltaic cell interior intrinsic parameters．This experiment can also cultivate students’ability to analyze and solve problems．

photovoltaic cells；internal parameter extraction；temperature effect

TM 914．4

A

1000-0712（2016）10-0039-03

2015-12-02；

2016-03-04

江西省青年科学基金（20143ACB21011）、江西省发明专利产业化技术示范基金（20143BBM26116）、高等学校计算物理课程教学研究项目（JZW-15-JW-02）、江西省教育厅科技项目（GJJ150729）以及南昌航空大学教改课题（JY1460）资助

肖文波（1975—），男，江西南昌人，南昌航空大学大学物理教研部副教授，博士，主要从事大学物理教学及半导体光电检测研究工作．