基于科研思维与创新能力培养的太阳能电池实验教学设计

康海燕，冯晓丽

(西安电子科技大学 微电子学院，陕西 西安 710054)

培养具有科研思维与创新能力的高精尖科技人才是国家赋予高等院校的重要使命[1-3]。实验教学作为培养本科生科研创新思维与能力的重要教学环节之一，在学生科研思维和实践创新能力培养中占据着关键性作用[4-6]。因此，紧跟科学技术的发展积极进行实验教学改革具有重要意义。

太阳能是一种清洁、安全的可再生新能源，利用太阳能的光伏发电将在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位[7,8]。太阳能光伏电池作为一种将太阳能直接转换成电能的主要设备，受到社会各界的广泛关注[9]。为此，许多高校在基础物理实验中已经开展了太阳能光伏电池基本特性的测定等相关实验内容，主要是对电池的伏安特性作初步的验证与分析，具有新颖性与实用价值[10-12]。然而，这些开设的太阳能光伏电池相关实验内容涵盖的知识点有限，以验证型实验为主，缺乏对学生科研思维与创新能力的培养，对于微电子与集成电路专业的本科生而言，这些基础实验无疑缺乏一定的挑战性。

为此，笔者设计了基于科研创新思维培养的太阳能光伏电池特性测定综合实验，在基础实验的基础上，进一步深入研究不同的光照强度以及光伏电池的连接方式对太阳能光伏电池的主要性能参数的影响，并分析讨论了实验现象背后蕴含的物理机理。整个实验过程学生需要根据实验测试内容自行设计并搭建实验平台，在一定程度上培养了学生独立思考与动手实践的能力。实验中通过对数据的处理、结果的分析与讨论，促进了学生对所学知识点的融会贯通，注重培养学生的科学思维与创新能力，为参与科学研究活动和研发设计奠定基础。

1 实验平台构建

实验中主要采用太阳能光伏电池测试系统对太阳能光伏电池的相关特性参数进行测试。该系统采用软硬件相结合的方式实现，主要包含太阳光模拟器，高精度数字源表、信号源以及太阳能特性测试上位机软件。

太阳光模拟器的主要作用是提供室内的模拟太阳光，为太阳能光伏电池测试光照来源，是太阳能光伏电池测试系统重要组成部分，如图1所示。实验中采用氙灯加上光学系统来模拟AM1.5的太阳光。信号源为太阳光模拟器提供稳压电源，高精度四象限数字源表，其主要作用是利用加电压测电流的方法，给负载提供一定的偏置电压，测试流过负载电阻上的电流值。

图1 太阳光模拟器

太阳能光伏电池测试系统的主要测试原理是在太阳能光伏电池两端加一个精确可调的偏置电压，电池的正负方向与电池的光生电压方向相反，从而可以抵消电池所产生的光电压，达到改变 PN 结偏压的作用。同时，数字源表测量回路中的电流，因此，能够较好的测量电池完整的伏安特性曲线。

本实验中的测试系统是将上述硬件设备太阳光模拟器、信号源、数字源表与光伏特性测试上位机软件进行结合，搭建软硬件相结合的测试系统，不仅能够测试电池的I-V输出特性曲线，还能根据测量的结果计算出电池的关键性能参数，例如短路电流、开路电压、最佳工作功率、填充因子以及转换效率等参数。

2 实验内容、过程与数据分析

2.1 标准光强下太阳能光伏电池特性

为培养学生的实践动手能力，学生需要基于测试要求，自行设计实验方案，并搭建单个太阳能电池的实验环境，进行待测样品的测试。室温环境为T=25 ℃，待测电池样品为单晶硅太阳能光伏电池，面积为10 mm×10 mm。太阳能光伏电池软件环境设置：电压范围为0～0.8 V，每间隔0.008 V测量一个数据，标准光照强度的划定100 mW/cm2。

在测定光伏电池的特性前首先需要标定光源，使光源达到Am1.5、功率为100 mW/cm2。实验中将此时的光照强度设置为标准光强。并在此条件下测定空载时电池的光伏电池的I-V与P-V特性曲线，如图2所示。

电压/V

太阳能电池的I-V与P-V特性曲线能够较为直接地展示电池的工作特性，直接表示标准光强下太阳能电池的输出电流和输出电压的关系曲线。此外，通过软件学生还可以得到标准光下，电池的其它主要性能参数，如表1所示：

表1 标准光源下电池的主要性能参数

2.2 光照强度对太阳能电池特性的影响

实验中主要研究标准光强，1.5倍标准光强以及2倍标准光强下太阳能光伏电池的工作特性。通过改变太阳光模拟器光源与电池之间的距离d来实现光照强度的改变，其中光照强度与距离的平方程成反比例关系。实验中将光照强度作为变量，分别采用标准光强、1.5倍光强与2.5倍光照强度三个变量，引导学生探索电池的主要性能参数短路电流、开路电压、电池的内阻以及最佳工作功率与光照强度的变化关系，并采用标准作图Origin软件对实验结果进行作图分析讨论。

2.2.1 短路电流随光照强度的变化关系

短路电流(ISC)指当太阳能电池的正负极短路时所通过的电流。该参数一般与电池面积的大小，光照强度等因素有关。不同光照强度下，短路电流与光照强度的变化曲线如图3所示。

光强/cd

由上图可以看出短路电流随着光照强度的增大而线性增大，这是因为太阳光入射的强度越大，光子能量就越多，从而就能激发电池产生更多的光生电子和空穴对，短路电流也就越大[13]。

2.2.2 开路电压与光照强度的变化曲线

开路电压(Voc)是指在太阳能电池的正负极两端不连接负载，即流通的电流约等于0，此时太阳能电池的正负极之间的电压就是它的开路填充电压。该参数一般与电池的面积大小无关。开路电压与光照强度的变化曲线如图4所示。

光强/cd

由上图可知，随着光照强度的增大，电池的开路电压缓慢增大。这是由于实验中选取的光照强度变化不大，因此电池的开路电压随着光照强度的改变呈现缓慢增长的趋势。在无太阳光照射时，电池的开路电压Voc是零，而且电池的开路电压一方面与制作太阳能光伏电池的材料有关，另一方面是与太阳光的入射光强度有关，并且开路电压随入射光强度增大而增大，开路电压与入射光强度成非线性关系。

2.2.3 太阳能光伏电池的内阻随光照强度的变化关系

太阳能电池的内阻用Rs表示，它主要由发射极的电阻和基极的电阻构成。实验中可以根据电池的短路电流与开路电压的关系计算出电池的内阻，根据计算结果可得电池的内阻与光照强度的变化曲线如图5所示。

光强/cd

由图可知，随着光照强度的增加，太阳能光伏电池的内阻在逐渐减小，这是由于随着光照强度的增加，参与导电的电子和空穴逐渐增多，从而降低了电池的内阻，由此可以提高电池的转化效率。在实际工艺中，一般希望内阻越小越好，因为随着内阻的减小，太阳能电池自身的内部消耗也随之减小，而随之填充因子FF会有所提高。

2.2.4 最佳工作功率与光照强度的关系

最佳工作功率指的是太阳能电池在正常的实验测试条件得到的最大的输出功率，该参数受到光照强度的影响较大。最佳工作功率与光照强度的曲线如图6所示。

光强/cd

由图6可知，随着光照强度的增大，电池的最佳工作功率Pm在上升。因此，在太阳能光伏电池的实际应用中，在太阳能光伏电池在最佳负载条件下工作时，可以逐渐增大太阳光的光照强度，从而可以增大电池的最佳工作功率。

2.3 太阳能光伏电池串联与并联条件下特性测试

在太阳能光伏电池的实际应用中，可能用到大面积的太阳能光伏电池样本，而电池的串并联方式必然会使得电池的短路电流、开路电压、填充因子等主要特性参数有所改变。为了让学生进一步探索太阳能光伏电池的特性，在实验中将进行在一定的光照强度下，相同型号的电池在串联与并联两种不同的连接方式对太阳能光伏电池的主要特性参数进行测试，并对结果进行分析。

2.3.1 串联条件下太阳能光伏电池特性的测定

搭建电池串联的实验测试环境，将两块规格相同的太阳能光伏电池进行串联测试，得到了在标准光强下，两个电池串联的I-V曲线，并与单个太阳能光伏电池样本的I-V特性曲线进行合成对比，如图7所示。

光强/cd

通过以上I-V曲线图对比，可以明显的看出，在串联条件下，电池的短路电流基本保持不变，开路电压在不断增大，样本的最大输出功率明显有所提高。串联电池的开路电压随着太阳能光伏电池串联个数的增加而线性增大，串联电池的开路电压是每个电池的开路电压之和。

2.3.2 并联条件下太阳能光伏电池特性的测定

搭建软硬件测试环境，将两块规格相同的太阳能光伏电池进行并联测试。在同等的前提条件下，得到两块电池并联后样本的I-V特性曲线，并与单个光伏电池样本的I-V特性曲线进行合成对比，如图8所示。

电压/V

通过以上曲线图对比明显可知，在并联条件下，样本的最大输出功率明显有所提高。

同时将根据仿真软件所得到的单个样本数据与串联以及并联两种连接方式的对应工作点以及填充因子等数据列表对比，如表2所示。

表2 不同连接方式下的工作点对比

实验结果表明，太阳能光伏电池无论是串联还是并联，最佳输出功率比单个太阳能光伏电池样本的最大输出功率大，填充因子明显增大；随着串联电池个数的增加，与单个电池样本相比较，短路电流基本不变，电源的恒流效果更好。

3 实验教学效果

太阳能光伏电池特性测试主要是面向微电子科学与工程以及集成电路与集成系统专业的学生开设的一门专业综合创新实验项目，主要通过软硬件结合的方式从不同的角度研究太阳能光伏电池的光电特性，收到了良好的教学效果。主要体现在：

(1) 实验研究样品为硅单晶样品，研究内容由简入难，基础实验内容与半导体物理课程所讲授的理论知识，例如基本能带结构、光伏电池的光电转换原理等知识紧密结合，避免了多晶与非晶硅太阳能电池所固有的复杂能带与散射等问题。通过实验学生能够充分掌握太阳能光伏电池的工作机理，巩固了学生理论知识。而且由于太阳能光伏电池与能源开发紧密相关，且在通信、航天、交通运输领域的广泛应用，学生普遍认为通过该实验的学习，能够了解到未来新能源的利用与开发，增加了学生的实验兴趣。

(2) 实验过程中学生需要根据测试内容自行设计测试方案并搭建软硬件平台。这就要求学生在开始实验前查阅太阳能电池测试的相关资料与文献，实验中尝试与探讨测试方案的可行性。这种开放式的实验方式无形中调动了学生的积极性，培养了学生独立思考与动手实践能力。

(3) 实验内容中研究光照强度以及电池的连接方式对太阳能电池主要特性参数的影响测试，属于基础实验内容的升华，应用科学研究的方式开展实验，使学生能够挖掘实验现象背后所蕴含的本质规律，重要的是通过综合实验培养学生从不同的角度看待问题与分析问题的科研创新思维，为后续参与科研项目活动奠定了基础。

4 结 语

基于科研创新思维培养的太阳能光伏电池特性测试综合实验与微电子和集成电路专业知识紧密相关，应用科学研究的方法开展实验，深入研究不同的光照强度以及光伏电池的连接方式对太阳能光伏电池的关键特性参数，例如开路电压、短路电流、内阻、最大输出功率、最佳负载电阻以及填充因子等特性的影响，并分析讨论了结果背后蕴含的物理机理。该综合实验需要学生根据测试的实验内容自行设计并搭建实验平台，在一定程度上能够培养学生独立思考与动手实践的能力。实验内容难度层次递进，通过实验学生能够深刻理解光伏电池的光电转换机理以及影响光电特性的主要因素，而且通过对实验数据处理、结果的分析与讨论，促进了学生对所学知识点的融会贯通。重要的是通过实验注重培养学生分析问题与解决问题的能力，以及从不同角度研究问题的科学思维与创新能力，为参与科学研究活动和研发设计奠定基础。