太阳能电池暗特性随温度变化的研究.doc

太阳能电池暗特性随温度变化的研究.doc 物理学院本科生 单晶硅太阳能光伏电池暗特性随温度变化的研究 摘要 太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。本实验利用了相关软件模拟得到单晶硅太阳能光伏电池暗特性随温度变化的趋势，并对已得的图形从整体和正反趋势分别进行了其电流与温度变化的分析。 太阳能光伏电池 单晶硅 暗特性 温度 关键词: 1前言 随着社会经济的不断发展，能量与能源问题的重要性日益凸显。能源短缺已经成为人类面临的最大问题之一。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。 科学研究已经表明太阳光辐射的能量非常巨大，从太阳到地球的总辐射功率比目前全世界的平均消费电力还要大数十万倍。每年到达地球的辐射能相当于49000亿吨煤的燃烧能。太阳能不但数量巨大，用之不竭，而且是不会产生环境污染的绿色能源，所以大力推广太阳能的应用是世界性的趋势。 太阳能发电有两种方式。光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高。光—电直接转换方式是利用光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能，光—电转换的基本装置就是太阳能光伏电池。 与传统发电方式相比，太阳能发电目前成本较高，所以通常用于远离传统电源的偏远地区，2002年，国家有关部委启动了“西部省区无电乡通电”，通过太阳能和小型风力发电解决西部七省区无电乡的用电问题。随着研究工作的深入与生产规模的扩大，太阳能发电的成本下降很快，而资源枯竭与环境保护导致传统电源成本上升。太阳能发电有望在不久的将来在价格上可以与传统电源竞争，太阳能应用具有光明的前景。 根据所用材料的不同，太阳能光伏电池可分为硅太阳能光伏电池，化合物太阳能光伏电池，聚合物太阳能光伏电池，有机太阳能光伏电池等。其中硅太阳能光伏电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。 物理学院本科生论文 本实验研究的是单晶硅太阳能光伏电池暗特性随温度变化的研究。 2实验原理 2.1光生伏特效应 光生伏特效应就是光能转化为电能的过程。而太阳能光伏电池就是一种光—电转换的基本装置。在各种材料的太阳能光伏电池中硅太阳能光伏电池是目前发展最为成熟的，在应用中居主导地位。本实验中研究的单晶硅太阳能光伏电池。单晶硅是一种半导体材料，从宏观的电学性质上来说半导体的导电能力在导体和绝缘体之间。导电能力随外界环境，如温度、光照，发生剧烈变化。从材料结构特点来说，半导体的满带被电子充满，导带是空的，禁带宽度很窄。由于禁带宽度小，因此当光照或在外电场作用下，使满带上的电子，很容易跃迁到导带上，使原来空的导带充填电子，同时在满带上留下空穴。通常情况下，为了提高半导体的导电性能，都需要对半导体材料进行必要的掺杂。本实验中的单晶硅太阳能光伏电池，就是利用了一定的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一硅片上，并在交界面形成PN结的太阳能光伏电池。 无光照时，PN结的形成: 浓度差使多子产生扩散运动 内电场使少子产生漂移运动 图1 当参与扩散运动的多子数目和参与漂移运动的少子数目相同时，达到动态平衡，就形成了PN结。 PN结受光照后，光伏效应 物理学院本科生论文 图2 半导体吸收光能产生带正电和负电的粒子(空穴和电子)，在内建电场作用下，电子(,)朝N型半导体汇集，而空穴(，)则朝P型半导体汇集。如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在PN结附近，使P区获得附加正电荷，N区获得附加负电荷，这样在PN结上产生一个光生电动势。至此，完成了光电转换过程，也就有了光生伏特效应。 2.2太阳能光伏电池的等效电路 在太阳能光伏电池中，由于少子的漂移，导致P区出现空穴的积聚，N区出现电子的积聚。反过来，这种电荷积聚会消弱内建电场，使得少子漂移效应减弱，光电流输出变小。相当于出现暗电流()。忽略掉太阳能光伏电池本身的串联电阻和旁路电阻。Id 太阳能光伏电池可画为如下理想形式的等效电路图。 物理学院本科生论文 图3 由于电路中无电源，电压U=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。一 ,,,exp(qU/nkT)-1旦结处于正向偏置时，二极管电流朝着与光激发产生的载流子IId0 形成的光电流相反的方向流动。 Iph 因而流入负载电阻的电流值为，(1)式 ,,,,,,exp(qU/nkT),1IIIIIphdph0 其中反映了太阳能光伏电池对光生载流子的最大复合能力，即PN结的反向饱和电流。 I0 由(1)式可得在光照一定的情况下一定，此时按电流越小才能保证输IIphd出电流越大。其中太阳能光伏电池的暗特性就是研究的与的关系。(这里的IUUId 在有光照的条件下指代的是光生电动势，在无光照的情况下指代的是外加电压) 2.3太阳能光伏电池无光照情况下的伏安特性—暗特性 太阳能光伏电池是依据光生伏特效应把光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能光伏电池等价与一个PN结。通常把无光照情况下太阳能光伏电池的电流电压特性叫做暗特性。近似地，可以把无光照情况下的太阳能光伏电池等价成一个理想的PN结。其电流电压关系为肖克莱方程: ,,,exp(qU/nkT),1 IId0 epDepnDnp0n0(),,，其中为反向饱和电流。A,D,n，p和L分别为结面JIAA00LLnp 积、扩散系数、平衡电子浓度，平衡空穴浓度和扩散长度。 根据肖克莱方程不难发现正向、反向电压下，按电流太阳能光伏电池IV曲线不对称，这就是PN结的单向导通性或者说镇流特性。对于确定的太阳能电池，其掺杂杂质种类、掺杂计量、器件结构都是确定的，对于电流电压特性具有影响的因素是温半导体器件的度。温度对半导体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向包和电流为: ,E3，g2,exp(,)JTs kT0 Egexp(,)由此可见随着温度的升高，反向饱和电流随着指数因子迅速增大。且 kT0 带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。 物理学院本科生论文 ,(0)，,T(0)半导体材料禁带宽度是温度的，其中为绝对零度时候的带EEEggg 隙宽度。设有，是绝对零度时导带低和价带顶的电势差。由此可以得(0),eVVEgg0g0 到含有温度参数的正向电流电压关系为: ,()e,VV3，0g2exp[],, AJITkT0 由此可得正向电流在确定的外加电压下，从理论上来说是随着温度的升高而增大 的。所以单从暗特性来说，要求足够大，即输,,,,,,exp(qU/nkT),1IIIIIphdph0出效率越高来说，最好要求实验温度越低越好。 3实验设备: 测试主机、电池片组 3.1整机图片: 图4 图5 3.2 测试主机 3.2.1面板介绍 ,紧急停机按钮:直接按下为关，顺时针旋转自动归位 ,关机按钮:正常关机按钮。 ?开机按钮。 ?PC接口:与计算机通信的USB接口。 ?光源通信接口:也氙灯电源通信，接收氙灯光源的状态信息。 ?故障灯:红灯闪烁表示有故障，绿灯表示正常。 ?工作状态:红灯闪烁表示腔内温度调整中，绿色表示未进行温度调整。 物理学院本科生论文 ?电源:红灯闪烁表示关机中，红灯表示正常工作。 3.2.2电路部分 电路部分包括温度控制电路和测试电路两个部分。温控电路用于太阳能电池所在的温控室的温度控制，在一定的范围内，可使温控室达到指定温度。测试电路用于测试太阳能电池片个性能的数据，该电路将测的数据送给计算机，由计算机进行数据的处理和显示。 温控室 3.2.3 给太阳能电池提供一个-10?——40?的太阳能电池片的环境 4实验内容与方法 暗伏安特性是指在无光照时，流经太阳能光伏电池的电流与外加电压之间的关系。本次实验是在闭光条件下，在不同温度点测试太阳能电池的正反伏安特性。 4.1暗伏安特性正向测试 图6 图7 测试步骤: 镜筒加遮光罩，每隔5?改变温度值，范围为-10?—40?，按图6,对太阳能光伏电池片两端加0—3.5V的电压，测试流入太阳能光伏电池的电流，由电脑软件自动数据。 4.2暗伏安特性反向测试 测试步骤: 镜筒加遮光罩，每隔5?改变温度值，范围为-10?—40?，按图7,对太阳能光伏电池片两端加0—36V的电压，测试流入太阳能光伏电池的电流，由电脑软件自动记录数据。 5结果与讨论 本实验是从-10?到40?每隔5?测量一次数据的，但由于实验仪器的限制，不能 物理学院本科生论文 够将所有的正反向伏安特性曲线显示在同一张图上。故以下的结果讨论将-10?到40?分成三个温度段分别讨论。第一个温度段为-10?到10?，第二个温度段为10?到25?，第三个温度段为25?到40?。 5.1三个温度段的结果与讨论 在-10?到10?、10?到25?、25?到40?三个温度段，以电压作横坐标，电流作纵坐标，可得三组在闭光条件下单晶硅太阳能光伏电池的伏安特性曲线。 图8 图9 (matlab模拟的图8 的正向局部图) 物理学院本科生论文 图10 图11 (matlab模拟的图10 的正向局部图) 物理学院本科生论文 图12 图13 (matlab模拟的图12 的正向局部图) 实验结论: 1 由图可以看出各温度下的单晶硅太阳能光伏电池暗特性(即闭光条件下的伏安特性)符合二极管的伏安特性曲线变化。从实验上证明了，在没有光照条件下，太阳能光伏电池等价与一个PN结的结论是正确的。 2 在外加电压一定的情况下，单晶硅太阳能光伏电池的正反向电流都是随着温度的升高而增大的。同时可以看出反向电流随温度的变化要比正向电流随温度的变化更加明 物理学院本科生论文 显。 5.2- 10?到40?的结果与讨论 在实验过程中，又将从-10?到40?每隔10?的伏安特性曲线合成在一张图上。 图11 图12为图11的正向局部放大图 图12 物理学院本科生论文 实验结论:单晶硅太阳能光伏电池从反向特性来看电流是随着温度的升高而增大的，但是增大的幅度会越来越小。而正向特性电流随温度升高变化的幅度基本不变。 6展望 太阳能电池发展至今已经经历了两代变革。第一代以晶体硅生产光电池为核心的光伏发电技术，以其成熟的工艺，较高的转换率在太阳能电池上占据了绝大部分的市场。但其成本较高，硅晶体的尺寸不能满足大面积的要求。第二代光伏发电技术是指品种繁多的薄膜电池。虽然薄膜电池也还存在种种问题需要解决，但是薄膜电池有其独特的优势使得发展前景广阔:(1)转换效率和生产成本改善空间巨大;(2)生产工序相对简单、生产能耗少;(3)应用范围广泛。但业内普遍认为，无 论第一代技术还是第二代技术，都存在高耗能、高污染的问题。目前人们致力于研究的是第三代光伏发电技术是一种完全“绿色”的光伏发电技术，其“绿色、高效、价廉、寿命长”等特点将改变光伏上游产业“两高”现状。具体地说，第三代光伏发电技术就是使用“太阳能炼硅+跟踪+聚光+高效聚光硅电池”技术发电。相信在不久的未来太阳能光伏电池将会给世界能源危机带来巨大的改善。 7结语: 本文从太阳能电池的结构、工作原理出发，论述了表征太阳能电池暗特性以及温度对它的影响。对于了解太阳能电池的基本特性有很大的帮助，同时，对太阳能电池的和测试也有一定的指导作用。 致谢:感谢老师在实验过程中，在仪器缺少但实验难做的情况下，能够牺牲休息时间，随时为实验小组的同学提供实验教室，并一直耐心指导。感谢同组的同学在本人实验和论文完成中给予的相关提醒。 参考文献: 1 丁淑伟 太阳能电池特性实验仪实验报告 2012.05 2 河南理工大学课件 2012.04 3 太阳能电池探究实验 成都中科院分院提供资料