2009 年增刊
总第 96 期
《福建师范大学福清分校学报》
ＪＯ Ｕ Ｒ Ｎ Ａ Ｌ Ｏ Ｆ ＦＵ Ｑ ＩＮ Ｇ ＢＲ Ａ Ｎ ＣＨ Ｏ Ｆ ＦＵ ＪＩＡ Ｎ Ｎ Ｏ Ｒ Ｍ Ａ Ｌ Ｕ Ｎ ＩＶ ＥＲ ＳＩＴＹ
Sum No.96
太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用
＊
刘银春，陈 雄，魏 芬，何志敏
(福建农林大学机电工程学院，福建福州
350002)
摘 要：介绍太阳电池的物理原理，表征太阳电池特性的物理参数，阐述了大学物理实验中的太阳电池 特性测试仪的结构原理及其实验内容和测试的方法、测试内容，并对实验进行分析总结。
关键词：太阳电池；大学物理实验；光功率计
中图分类号：TM914.4 文献标志码：A 文章编号：1008-3421（2009）07-0050-05
1 引言
太阳能是一种可再生的清洁、绿色”能源。目前世界 “ 各国都高度重视太阳能的开发和应用。太阳电池是利用 光伏效应将其所吸收的光子能量转换为电能得器件，也 称光伏电池。太阳电池是太阳能开发和利用的主要方向 之一。光伏产业是一个朝阳产业。我国已成为世界太阳电 池的生产大国，但还不是强国，要实现强国之梦，人才是 关键，教育是基础。因此，在大学物理实验中开设太阳电 池基本特性测量实验，有重要的现实意义。 2 太阳电池的物理原理
太阳电池是利用半导体材料的内光电效应把光能转 变为电能的器件。图 1 是典型的晶体硅太阳电池的结构 图[1]。由图可见，太阳电池是一个半导体异质结，在没有光 照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其通过电 流 I 与正向偏压 U 的关系式为：
I=I0(eBU-1)
式中，I0 和 β 是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为 Eg=EC－EV 的半导体构成，如图 2 所示。EC 为半导体导 电带，EV 为半导体价电带。
当入射光子能量大于能隙 Eg 时，光子会被半导体吸收，产生电子-空穴对，也称光生载流子。由 于热运动电子-空穴对会向各个方向迁移。光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建 电场分离，光生电子被推向 N 区，光生空穴被推进 P 区。在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似 为 0.在 N 区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 P-N 结边界扩散，一旦到达 P-N 结边界，便立 即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入 P 区，而光生电子（多 数载流子）则被留在 N 区。同理，P 区中的光生电子也会向会 P-N 结边界扩散，并在到达 P-N 结边
收稿日期：2009-10-19
作者简介：刘银春（1954－），男，福建南平人，教授，硕士生导师。
* 基金项目：福建省教育厅《福建省大学物理实验教学示范中心》建设项目（2008）
图 １ 典型晶体硅太阳电池的结构图
(1)
图 ２ 光伏效应原理图
刘银春，陈 雄，魏 芬，何志敏:太阳电池基本特性测试仪的原理及其应用
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界后，同样会受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，进入 N 区, 而光生空穴（多数载 流子）则被留在 P 区。于是在 P-N 结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光 生电场。这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使 P 型层带正电，N 型层带负电，从而产生了 光生电动势，这种现象称为光生伏特效应（简称 光伏）。只要在两个电极间加上负载，回路就有电 流通过。
3 太阳电池特性的物理参数
假设太阳电池的理论模型是由一理想电流 源 （光照产生光电流的电流源）、一个理想二极 管、一个并联电阻 Rsh 与一个电阻 Rs 所组成，如图 3 所示。图 3 中，Iph 为太阳能电池在光照时该等效 电源输出电流，Id 为光照时通过太阳能电池内部 二极管的电流。由基尔霍夫定律得：
IRs+U-(Iph-Id-I)Rsh=0
I(1+ Rs )=Iph- Rs -Id Rsh Rsh
3.1 短路电流
假定 Rsh=∞ 和 Rs=0，太阳能电池可简化为图 4 所示电路。由式（2）得：
I=Iph-Id=Iph-Io(eBU-1)
（4）
在短路时，U＝0，由式（4）得 Iph-Isc。 我们把太阳电池在端电压为 0 时的电流称为 短路电流，通常用 Isc 表示。它是伏安特性曲线与纵 坐标的交点所对应的电流。短路电流 Isc 与太阳电 池的面积大小有关，面积越大，Isc 越大，一般 1cm 2
图 ３ 太阳能电池等效电路图
（2）
（3）
式（2）中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由式（1）可得，
图 ４ 太阳能电池简化电路
的单晶硅太阳电池 Isc=16~30mA。短路电流 Isc 是描述太阳电池特性的重要指标之一。 3.2 开路电压
我们把太阳电池在空载（开路）情况下的端电压，称为开路电压，通常用 Uoc 表示。它是伏安特性 曲线与横坐标的交点对应的电压，是描述太阳电池特性的另一重要指标。在开路时，I＝0，由式（4）解 得：
（5） Uoc= 1 1n[Isc +1] β Io
式中 Io、β 是常数。开路电压 Uoc 与太阳电池的面积大小无关，一般太阳电池的开路电压约为 Uoc≈ mV，最高可达 700mV。 3.3 填充因子
填充因子是表征太阳电池性能优劣的一个重要参数。通常把太阳电池的最大功率与开路电压 和短路电流的乘积之比，称为填充因子，用 FF（或 CF）表示[2]，即 FF= ImUm IscUoc
其中 IscUoc 为极限输出功率,ImUm 为最大功率[1],即
（6）
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1 1n(1+βUm)- 1 β β
m)+1 β β1n(1+βU
由式（4）、5）、（ （ （ 6）、7）可得
Pm=ImUm≈Iph Uoc- β
β
（7）
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3.4 转换效率
太阳电池接受光照的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比称为太阳电池的
FF= ImUm =1- 1 IscUoc βUoc
（8）
转换效率[3]，即
η= ImUm (9) AtPin
式中 At 是指包括栅线面积在内的太阳电池总面积（也称全面积），Pin 为单位面积入射光的功率。有 时也用活性面积 Aa 取代 At，即从总面积中扣除栅线所占的面积，这样计算出来的转换效率会高一 些。
4 测量太阳电池特性的仪器构成
测试太阳电池的特性一般要用太阳能模拟器，I-V 特性测试仪等设备，可以直接获得短路电 流、开路电压、填充因子等重要参数，设备昂贵，不适合用于本科教学。太阳电池特性实验仪是针对 本科实验教学需要设计的仪器，它主要由①光具座及滑块座、②白光源、③太阳能电池、④光功率 计探头、⑤光功率计（本实验采用液晶电光效应试验仪中的光功率计）组成，如图 5 所示。辅助仪器 有电压表和电流表、电阻箱、导线若干等。在图 5 中，其中⑥为电压源输出显示器、⑦为光功率计显 示器。
5 实验原理
根据式（5）、6）、（ （ （ 7）、8）和太阳电池特性试验仪的结构特点，其实验原理分别是：
(1)在没有光源（全黑）的条件下，太阳能电池主要结构为一个二极管，可通过加正向偏压的方 法，测量太阳电池的 I－U 特性，利用测得的 I－U 关系数据，画出 I－U 曲线，求出得常数 β 和 I0 的值, 由此可得电流与电压关系的经验公式。
(2)在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳电池在光照时的输出伏安特性，作伏安特性曲线 图，由图求得它的短路电流 Isc、开路电压 Uoc、最大输出功率 Pm 及填充因子 FF。
（3）测量太阳能电池的光照特性：测量短路电流 Isc 和相对光强度 T 之间关系，画出 Isc 与相
T0
对光强 T 之间的关系图；测量开路电压 Uoc 和相对光强度 T 之间的关系，画出 Uoc 与相对光强 T T0 T0 T0
之间的关系图。
图 ５ 太阳电池特性测试实验装置
刘银春，陈
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图 6 I-V 特性测试电路
6 实验方法
（1）在全暗的情况下，测量太阳能电池加正向偏压时流过太阳能电池的电流 I 和太阳能电池的 输出电压 U。。在 R=1000Ω，正向偏压从 0-3V 条件下，按图 6 所示测量电路进行测量，根据所获得 数据，由式（1）可知，当 U 比较大时，eβU>>1，即 1nI=βU+1nI0，由最小二乘法求出 β，I0 和相关系数 r。 （2）用白光源照太阳电池，不加偏压，为防止散射光的干扰，将太阳电池置于遮光罩内，保持白 光源到太阳能电池距离 20cm，按图 7 所示的测量电路，改变电阻，测量太阳能电池在不同负载电阻 下的输出电流 I 和太阳能电池的输出电压 U，根据所获得数据,画出 I－U 曲线图,用外推法求短路电 流 Isc 和开路电压Uoc。
图 ７ 恒定光照下测试太阳电池输出特性电路
由于 P=IU,可用作图法画出 P—R 曲线，求出太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负 载电阻。根据式（8）计算填充因子。
（3）用光功率计测出白光源到太阳能电池的距离分别为 20cm，22cm，24cm，26cm，28cm，30cm 处的光照强度，并把白光源 20cm 水平距离光强作为标准光照强度 T0；用万用表测出对应位置的 和。用作图法分别求出 Isc 和 Uoc 与相对光强 T 之间近似关系函数。
T0
7 实验结果与结论
为了验证根据上述要求采用单晶硅太阳电池进行实验的准确性，我们用同一太阳电池在太阳 能模拟器下方的同一位置,
分别采用太阳电池特性测试仪的方法与 Keithley 公司生产的 I-V 特
性测试系统进行测量，所获得的 I-V 曲线和功率曲线如图 8 所示，太阳电池特性的相关物理参数 如表 1。由图 8 和表 1 可知两种方法测试的结果相当接近。说明用太阳电池测试仪做实验所获结果 的正确性比较高。
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表 1
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图 ８ 在恒定光照下两种不同测量方法获得的曲线比较
-20两种仪器测试结果的比较 Ｉｓｃ（ｍ Ａ ）仪器名称 太阳电池特性测试仪 Ｋ ｅｉｔｈｌｅｙ Ｉ－Ｖ 测试系统 Ｉｓｃ（ｍ Ａ ） Ｕ ｏｃ（Ｖ ） １８．１７ １８．７０ ４．３７ ４．３６ Ｕ ｍｐ（Ｖ ） Ｉｍｐ（ｍ Ａ ） ２．１２ ２．３５ １０．６６ １０．１３ ＦＦ（％ ） η（％ ） ２８．４６１ ２．８２５ ２９．１７１ ２．９７３
由此我们可以得出结论：太阳电池特性测试仪用于大学物理实验是比较合适的，它不仅价格 便宜而且还具有器件设计简单，结构合理，操作方便等特点，有利于学生理解相关的物理概念，有 利于培养学生动手能力和观察思考能力，同时可做部分拓展性的实验内容。
参考文献: [1] [2] [3] 杨金焕,于化丛,葛 施敏著,赵鹤鸣,钱 刘银春,林仁荣,郑
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Principle and Application of Solar Cell Basic Character Tester LIU Yinchun, CHEN Xiong, WEI Fen, HE Zhimin
(College of Mechanical and Electrical Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, 350002)
Abstract: The article introduces physical principle of solar cell, represents physical parameters of solar cell characteristics, describes the principle and structure of solar cell character tester, content in university physics eXperiment, test methods and content in test, and makes an analysis and summary for the eXperiment as well.
Key words: Solar cell, University physics eXperiment, Light power meter
（责任编辑：林国盛）