硅太阳能电池特性的实验研究

王志军，李守春，王连元，张金宝

（吉林大学，吉林 长春 130015）

目前，能源问题已经成为世界各国经济发展中亟待解决的问题。《BP Statistical Review of World Energy 2012》指出［1］：以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产54.2年，天然气和煤炭则分别可以供应63.6年和112年。随着一次性能源危机的日益来临，使人类对可再生能源及清洁新能源的开发利用有了更大的需求。太阳能因具有清洁、便利、取之不尽、用之不竭、免维护等优点，将成为21世纪最有希望的能源之一。据估计，每年太阳提供给地球的能量为3.2×1024J，大约相当于人类目前消耗能量的10 000倍。如果以光电转换效率为10%的光电器件覆盖0.1%的地球表面，就足以满足目前全人类的能源需要［2］。因此，利用太阳能发电的研究和应用，具有重大的社会和经济价值。太阳能电池主要是利用半导体光电材料吸收光能转换为电能来进行发电的，根据所用材料的不同，可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池等［3－5］。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟、应用最广泛、效率最高的的太阳能电池。硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。为了使学生更好的理解太阳能电池的原理和性质，设计了硅太阳能电池特性实验研究的实验，取得了良好的教学效果。下面具体介绍一下其工作原理及实验结果。

1 硅太阳能电池及其特性原理

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，图1为P－N结示意图。

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区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P－N结的净电流为零。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，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。

当太阳能电池受光照射时，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，PN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。

在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量其输出电压与输出电流，得到输出伏安特性，如图2实线所示。负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开时测得的最大电压VOC称为开路电压。

太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件，负载电阻大小不一样时，输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标，输出功率为纵坐标，绘出的P－V曲线如图2点划线所示。

图1 半导体P－N结示意图 图2电池的输出特性

图2 电池的输出特性

输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大输出功率Pmax。

填充因子F·F定义为：

填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅太阳能电池FF值在0.75～0.8之间。

转换效率ηs定义为：

Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。理论分析及实验表明，在不同的光照条件下，短路电流随入射光功率线性增长，而开路电压在入射光功率增加时只略微增加。

2 实验内容、数据处理与分析

2.1 太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系

打开光源开关，预热5min。打开遮光罩，将光功率探头装在太阳能电池板位置。由近及远移动滑动支架，测量距光源一定距离的光强I＝P／S，P为测量到的光功率，S＝0.2cm2为探头采光面积。测量到的光强记入于表中。

图3 （A）开路电压，（B）短路电流与光强关系测量示意图

按图3（A）接线，按测量光强时的距离值（光强已知），记录开路电压值。按图3（B）接线，记录短路电流值。将单晶硅太阳能电池分别更换为多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池，重复以上测量步骤，并记录数据，见表1。

表1 三种太阳能电池开路电压与短路电流随光强变化关系

图4 硅太阳能电池短路电流与光强的关系

图5 硅太阳能电池开路电压与光强的关系曲线

图4为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池短路电流与光强的关系曲线图。从图中可以看出短路电流Isc随光强的增大呈线性上升。这其中，多晶硅太阳能电池变化幅度最大，单晶硅太阳能电池幅度稍小而非晶硅太阳能电池短路电流变化最小。当光强为1 028W／m2时短路电流3种太阳能电池分别达到了111.7mA，100.0mA和12.8mA。从数据的对比中可以看出：3种太阳能电池短路电流随光强变化的趋势是大体相同的，与理论情况是相符的。图5为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池开路电压与光强的关系曲线。从图中可以看出开路电压Voc随光强的增大迅速增大（非线性）。这其中单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池的变化数值基本相同，当光强为1 028W／m2时，二者的开路电压均为2.94V。而在相同光照强度下，非晶硅太阳能电池的开路电压达到了3.88V，比单晶硅与多晶硅太阳能电池高。

图6 测量太阳能电池输出特性

2.2 测量太阳能电池输出特性

按图6接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上不同位置），分别将3种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压V和电流，并计算输出功率PO＝V×I，见表2。

表2 光强I＝53.7W／m2时3种太阳能电池输出特性实验

图7和图8分别为3种硅太阳能电池输出电流与输出功率随输出电压的变化关系曲线。从图中可以看出，单晶硅和多晶硅具有相似的变化关系，而非晶硅则远比单晶硅和多晶硅弱得多。由图8找出最大功率点，分别为8.448、8.51和0.99W，由（1）式计算填充因子分别为0.701、0.535和0.467。由（2）式计算转换效率。入射到太阳能电池板上的光功率Pin＝I光强×S，S为太阳能电池板面积。由测得实验数据计算得出3种太阳能电池板面积分别为：3 585.5、3 580.8和2 504.0mm2。因此3种硅太阳能电池的转换效率分别为4.39%，4.43%和0.74%。从此可以看出单晶硅太阳能电池与多晶硅太阳能电池的转换效率相当，非晶硅太阳电池的转换效率则很低。而由于多晶硅电池成本比单晶硅电池的成本低，因此目前多晶硅太阳能电池占主导地位。而非晶硅太阳能电池虽然转换效率虽然较低，但其成本也非常低廉，而且相同光强下输出电压较高，因此目前如何提高非晶硅太阳能电池的转换效率是科学界关心的热点。

图7 硅太阳能电池输出特性关系

图8 硅太阳能电池输出功率关系曲线

3 结 论

测量并分析了单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池光强对其开路电压与短路电流的影响，并通过测量3种硅太阳能电法的负载输出伏安特性及输出功率特性，计算了3种硅太阳能电池的填充因子与转换效率。学生们通过学习硅太阳能电池的原理，测量其基本特性曲线，得出了有意义的结果，极大地激发了学生的学习与研究兴趣，提高了学生的动手分析、解决问题的能力，拓展了学生的视野。对于学生进一步科研性、创新性实验的研究奠定了基础。

［1］BP Statistical Review of World Energy，June 2012.

［2］Graetzel M.Photoelectrochemical cells.Nature.2001，414：338－344.

［3］Geotzberger A，Hebling C，Schock H W，et al.Photovoltaic Materials，History，Status and Outlook.Mater.Sci.Eng.R.2003，40：1－46.

［4］Zhao J H，Wang A H，Green M A.19.8%Efficient“Honeycomb” Textured multi－crystalline and 24.4%Monocrystalline Silicon Solar Cells.Appl.Phys.Lett.1998，73：1991－1993.

［5］王振飞，杨虹.菲涅尔透镜聚光对光伏发电效率的实验研究［J］.大学物理实验，2012，4：42－44.