“光伏材料与器件检测技术”实验教学设计

孙盼盼+++戴雷+++黄妞+++孙小华

【摘要】作为新能源材料与器件专业的一门专业拓展课程，该课程致力于培养学生光伏材料与器件方面的专业操作技能，毕业后具备在该领域技术开发和科学研究领域工作的能力。本文结合该专业课程开设情况，对光伏材料与器件检测技术的实验教学内容进行了设计。

【关键词】新能源材料与器件 光伏材料与器件 实验教学设计

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）02-0237-01

一、引言

2014年，在外部有利政策和势场需求的驱动下，中国的光伏市场迅速发展，光伏制造产能位居全球第一，终端应用市场也步入了全球第二。产业的发展形势将直接影响人才的需求动态，为了增强人才培养的市场针对性，我校开设了《光伏材料与器件检测技术》课程[2-3]，培养学生光伏方面的专业操作技能。本文对相关实验进行了设计，实验内容由材料到器件，由基础到专业，下面对实验设计进行具体阐述：

二、光伏材料性能检测实验设计

1.太阳光辐射光谱检测

由于太阳辐射到达地球表面必须要经过大气层，大气层对太阳辐射的吸收、反射和散射导致不同地区、不同季节以及一天中不同时间地面所接收到的太阳辐射光谱有很大差异[1]。大气对地球表面接收太阳光的影响程度用大气质量（AM）描述，国际上选取大气质量AM1.5作为太阳能电池效率测试的标准，其辐照功率为1kW/m2。

本实验为验证型实验，要求同学们通过用美国Ocean Optics公司的USB4000型光纤光谱仪测试太阳光光谱，认识太阳光能量的不稳定性以及设置标准光源条件的必要性。

2.半导体材料光吸收性质测试

太阳能电池对光的吸收效率直接影响其光电转换效率，而光吸收效率取决于材料对光的吸收能力，所以光伏材料的选择至关重要。禁带宽度是决定半导体性质的重要参数，根据半导体带间跃迁的基本理论，只有光子能量大于或等于半导体的禁带宽度才会存在光吸收，而且光吸收系数与光子能量之间存在一定的关系。

本实验为设计型实验，实验内容和方法：（1）测试不同材料的吸收光谱；（2）测试同一材料不同厚度情况下的吸收光谱；（3）绘制吸收光谱曲线，探究影响材料光吸收能力的因素。通过本实验要求同学们掌握用双光束紫外可见分光光度计测试半导体材料吸收光谱的方法，并获得太阳能电池材料的选择依据。

三、光伏器件性能检测实验设计

1.太阳能电池基本特性测试

太阳能电池的特性由伏安特性曲线（I-U曲线）来表示，表征一定光照和环境温度为300K条件下，电流和电压的函数关系。在太阳能电池的正负极两端，连接一个可变电阻R，在一定的光照和温度下，改变电阻值，使其由零（短路）变到无穷大（开路），同时测量通过电阻的电流和电阻两端的电压 ，即可得到太阳能电池的I-U曲线。I-U曲线在电压轴上的截距称为开路电压（Uoc），在电流轴上的截距称为短路电流（Isc）。短路电流Isc和开路电压Uoc与入射光强相关，一般地，短路电流Isc随光强呈线性增长，而开路电压Uoc随光强呈对数增长，并逐渐达到最大值。

本实验为设计型实验，实验内容：（1）测试不同负载下太阳能电池的I-U曲线，求出在此光照条件下太阳能电池的短路电流Isc、开路电压Uoc以及最大输出功率Pm、填充因子FF=Pmax/IscUoc；（2）测试不同光强下太阳能电池的短路电流和开路电压，并绘制曲线；（3）测试太阳能电池在不同入射角下的短路电流和开路电压，并绘制曲线。通过本实验要求同学掌握太阳能电池电流-电压特性并对其进行评价，以及短路电流、开路电压随光照强度和入射角度的变化特性。

3.太阳能电池量子效率测试

太阳能电池的量子效率QE，或称光谱响应，是太阳能电池在不同波长光照条件下的光电转换特性，具体的是指太阳能电池收集到的电子-空穴对数目与入射到太阳能电池表面的光子数目之比。太阳光强度随波长变化而不同，因此，量子效率反映了太阳能电池对入射到表面的各个波长的光的响应情况，因此也是衡量光伏器件性能的关键指标。

本实验为演示型实验，实验内容：（1）认识太阳能电池量子效率测试系统；（2）测试太阳能电池的量子效率；（3）绘制太阳能电池量子效率曲线，通过曲线评价太阳能电池光响应特性。

四、总结

结合本校新能源材料与器件专业基础，对《光伏材料与器件检测技术》课程的实验教学进行了设计。设计与该专业理论基础紧密契合，可以充分调动学生的主观能动性。通过实验的开展，要求学生掌握光伏材料与器件性能的基本检测手段和评价方法，培养学生的实验设计能力、专业实验操作技能和专业研究素质，使学生步入社会后，具备从事该领域工作的基本能力。

参考文献：

[1]于胜军.太阳能光伏器件技术[M].电子科技大学出版社，2011.

[2]曾惠丹，杨云霞等.新能源材料与器件专业实验教学探讨[J].实验室研究与探索，2012， 31（10）：109-111.

[3]杜柯.新能源材料与器件新专业教学之浅见[J].湖北函授大学学报，2011，24（8）：91-92.endprint