光照角度对太阳能电池特性影响的实验研究

李秋真，林春丹，张万松*，杨振清，周广刚

(1.中国石油大学(北京) 新能源与材料学院，北京 102249；2.中国石油大学(北京) 理学院，北京 102249)

太阳能作为清洁、可再生的新能源，其光伏发电技术日益受到重视[1，2]，太阳能电池特性亦成为一大研究热点。目前，太阳能电池的基本特性测量实验已成为一项大学物理实验项目，在国内众多高校中开设[3]。但由于该实验装置中光源与太阳能电池板相对位置的固定性，实验内容仅局限于负载电阻改变时电压和电流值的测定。

近年来，学者在该实验的基础上研究了光照强度、光源与太阳能电池板的照射距离、电池板的被照射面积等因素对太阳能输出效率的影响[4-6]。但缺少结合太阳真实运转情况的模拟分析。实际情况下，若以地球上某一固定点为参照，其与太阳的距离可视为一个定值，由地球转动产生的距离变化可忽略不计。但由于太阳东升西落和各地区纬度不同导致的太阳照射角度变化可对太阳能电池的输出效率产生重要影响。王玉清[7]、张天民[8]等人通过转动太阳能电池板，研究了光照角度对太阳能电池特性的影响，但仅局限于一维层面上的角度改变，相当于模拟了赤道上的光照情况，其他纬度下光照角度的影响尚未有所研究。因此，本文从太阳能电池基本特性测量实验入手，在二维层面研究了光照角度对太阳能电池输出特性的影响。

1 太阳能电池的工作原理

太阳能电池的基本结构是一个大面积的平面P-N结，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，图1为半导体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区的电子向P区扩散，P区的空穴向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区和势垒电场。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，使该区域内几乎没有能导电的载流子，又被称为结区或耗尽区。

图1 半导体P-N结示意图

当光电池受到光照射时，部分电子被激发而产生电子-空穴对。在势垒电场的作用下，在结区激发的电子和空穴分别被推向N区和P区，使得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，即光伏效应。若将P-N结两端接入外电路，即可向负载输出电能。

2 太阳能电池及其特性测量实验

太阳能特性测量实验的常见实验装置如图2所示，包括金属卤灯、太阳能电池板、可变负载以及测量仪。该装置中光源与太阳能电池板的相对位置固定，负载可调。在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，可测量输出电压与输出电流值，并根据公式P=UI，可计算出各组功率，如表1所示。图3为太阳能电池的伏安特性曲线。其中，Uoc表示开路电压，Isc表示短路电流，阴影部分面积可表示太阳能电池的输出功率，与最大功率对应的电压称为最大工作电压Um，对应的电流称为最大工作电流Im。在上述基础上，可根据测得的电压值及电流值计算输出功率，并做出所测太阳能电池的输出功率随输出电压的变化曲线，如图4所示。

图2 太阳能电池基本特性的测量实验仪器

图3 太阳能电池的伏安特性曲线

图4 太阳能电池输出功率随输出电压的变化曲线

表1 太阳能电池的输出特性测量结果

3 实验装置的改进及实验

在图1的基础上，对实验仪器进行了改装，改装后的实验仪器如图5所示。将金属卤灯通过L形六角柱固定于铁架台之上，旋转六角柱即可调整照射光源的角度。将太阳能电池板置于升降台上，通过转动大升降台旋钮可调节太阳能电池板的高度，通过转动小升降台旋钮可实现太阳能电池板角度的变化。仪器后方设有量角器用于提供角度参照，如此便可同时实现光源和电池板的角度变化，即通过实验模拟真实情况下太阳的东升西落及不同纬度地区的光照情况，从二维层面研究光照角度对太阳能电池板输出特性的影响。

图5 改装后的太阳能电池特性测量仪器

分别控制本实验中的光照角度与太阳能电池板的倾角为单一实验变量。选取一个密闭且无日光照射的实验室进行此项实验，以排除环境因素的影响。且为避免光源温度变化对太阳能电池输出特性的影响，每次实验的记录数据均为光源接通3 s后的显示数据。

此外，在每次实验中通过升降台调整太阳能电池板的高度，使得金属卤灯中心与太阳能电池板中心的距离始终为恒定值425 mm。负载电阻阻值保持为11 Ω。在太阳能电池板纵向倾角分别为0°、30°和60°的情况下，将照射光源横向角度改变，自左至右，与竖直方向的夹角从10°至180°，每隔10°进行一次测量，记录该位置太阳能电池板的电压和电流，得到输出功率和照射光源倾角的关系如图6所示。

图6 不同倾角的太阳能电池板的输出功率与光照倾角的关系曲线

由图6可看出，即使太阳能电池的倾角不同，但其输出功率与光照倾角的关系曲线呈现相同的趋势，随光照倾角增大，输出功率先增大后减小，在光照倾角为90°，即光照垂直入射至太阳能电池板时，输出功率达到最大值。且90°左右两端呈近似对称的关系。而当光照倾角一定时，太阳

能电池板倾角越大，输出功率小。当光照倾角为90°时，由太阳能电池板倾角变化产生的差值最大。随光照倾角减小或增大，由太阳能电池板倾角变化导致的差值逐渐减小。因此，在实际应用中，要实现太阳能电池板达到最大输出功率，应充分利用低纬度地区的光照条件，并使电池板时刻正对太阳，即实现对太阳的追踪。

5 结 语

通过改进原始的太阳能输出特性测量装置，使得光源与太阳能电池板之间的角度可调，从而研究了光照角度与太阳能电池板倾角对电池板输出效率的影响，得出了输出效率随角度的二维关系曲线。实验发现，随横向光照倾角增大，输出功率呈先增大后减小的趋势。随太阳能电池板纵向倾角增大，输出功率减小。该实验项目的改进过程有助于增强学生的动手实践能力，同时使学生深入理解地球的自转及公转规律。