实验报告
学生：张家祥     学号： U202342823      院系：新能源23    批阅时间： 2025-4-06 14:50

【实验目的】

（1）了解太阳能电池的光伏效应原理，了解单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池的差别;

（2）研究在无光照情况下太阳能电池的伏安特性（即暗伏安特性）；

（3）研究在光照情况下太阳能电池的输出特性。

【实验仪器】

ZKY-SAC-I 太阳能电池特性实验仪、可变负载、光源、导轨、遮光罩、光强探头、单晶硅太阳能电池、多 晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。

1.太阳能电池光生伏特效应的原理 

    光生伏特效应是指半导体材料由于受到光照而产生电动势的现象，简称光伏效应。太阳能电池就是利用这 种半导体 P-N 结受到光照时的光伏效应进行发电的，其基本结构（如图 5.17-1 所示）就是一个大面积的平面 PN 结。

    当 P 型半导体与 N 型半导体结合形成 PN 结时，P 型半导体中的多子空穴和 N 型半导体中的多子电子在结 区相互扩散形成空间电荷区，并在空间电荷区内产生内建电场。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，使该区内几乎没有能导电的载流子，因此空间电荷区又称为结区或耗尽区。 当入射光照射在 PN 结上时，由于内光电效应而产生光生载流子，及电子-空穴对。电子-空穴对在内建电场 的作用下分离，电子在内建电场的作用下进入 N 区，空穴在内建电场作用下进入 P 区，使 N 区有过量的电子而 带负电，P 区有过量的空穴而带正电，即在 PN 结两端形成了电压，如果将该 PN 结接入外电路，则该 PN 结就 可向负载输出电能。需要注意的是，太阳能电池产生光生伏特效应用于发电需要满足两个条件：（1）材料对光 具有本征吸收（可以产生内光电效应）；（2）在太阳能电池内部可以形成内建电场，能够迅速分离光生载流子， 且能够阻止光生载流子的复合。 

2.太阳能电池的特性

    当无光照射在太阳能电池时，可以将太阳能电池等效为一个二极管；有光照射在太阳能电池时，则可以将 其等效为一个受控电流源，其等效电路如图 5.17-2 所示。 

    图中，IL 为光照射到电池吸收层中产生的光生电流，当光照相对比较恒定的时候，光生电流不会随着工作 状态改变，可以看做恒流源。光生电压反向加在 PN 结两端，这样就会产生于光生电流反向的二极管反向饱和 电流光 ID。RL为负载电阻，V 为其电阻两端的电压，I 为电路中的电流。RP 为电池的并联电阻，主要是由于 PN 结漏电引起的，其中包括绕过电池边缘的漏电及由于结区存在晶体缺陷和外来杂质的沉淀物所引起的内部漏电。 RS 为电池的串联电阻，主要是由于电池材料所固有的电阻，所用电极材料的电阻，以及电池和电极相连部分由 于接触产生的电阻产生。 理想的太阳能电池正向电流 IF与其压降 UF之间满足以下关系式：

    其中，I_S 为 PN 结的反向饱和电流，q 为电子电荷，k 为玻尔兹曼常数，T 为热力学温度。有无光照情况下太阳 能电池的伏安特性曲线，如图 5.17-3 所示，其中无光照时的伏安特性称为暗特性，有光照时称为光照特性。 

    如果将太阳能电池的正负两级短路，其压降 UF变为 0，此时流过电路的电流称为太阳能电池的短路电流， 用 I_SC 表示。在理想条件下，太阳能电池的短路电流 I_SC 与光电流 I_L相等，即

    其中，q 为电子电量，A 为 PN 结的横截面积，G 为由于外部作用（光照）所引起的净产生率，L_e、L_h 分 别为电子在材料中的扩散长度和空穴在材料中的扩散长度，W 为耗尽区宽度。 如果将太阳能电池的正负两级断开，其流过电流为 0，则此时太阳能电池两极见的压降 UF称为太阳能电池 的开路电压，用 UOC 表示。在理想条件下，太阳能电池的开路电压值为

    从图 5.17-3 中可以清晰的看到，当有光照射在太阳能电池上时，其输出功率 P 存在一个最大值 P_max，此时 输出电压为 U_mp，输出电流为 I_mp。定义填充因子 F.F 为

    填充因子是表征太阳电池性能优劣的重要参数，其值越大，电池的光电转换效率越高，一般的硅光电池 FF 值 在 0.75~0.8 之间。太阳能电池的转换效率可以定义为太阳能电池产生的能量和入射光的能量之比，即

   其中，P_in为入射到太阳能电池表面的光功率。太阳能电池的转换效除了与其制造工艺有关外，还与照射在电池 上的光谱的性质，入射光的能量密度和太阳能电池的工作温度有关。对于太阳能电池来说，短路电流、开路电 压、填充因子以及转换效率是衡量其性能的主要参数。

1. 太阳能电池的暗伏安特性测量

 太阳能电池的基本结构是一个大面积平面 P-N 结，单个太阳能电池单元的 P-N 结面积已远大于普通的二极 管。在实际应用中，为得到所需的输出电流，通常将若干电池单元并联。为得到所需输出电压，通常将若干已 并联的电池组串连。因此，它的伏安特性虽类似于普通二极管，但取决于太阳能电池的材料，结构及组成组件 时的串并连关系。太阳能电池的暗伏安特性是指无光照射时，流经太阳能电池的电流与外加电压之间的关系。 本实验提供的太阳能组件是将若干单元并联，测试时用遮光罩罩住太阳能电池。测试原理图如图 5.17-6 所 示。将待测的太阳能电池接到测试仪上的“电压输出”接口，电阻箱调至 50Ω后串连进电路起保护作用，用电 压表测量太阳能电池两端电压，电流表测量回路中的电流。 

将电压源调到 0V，然后逐渐增大输出电压，每间隔 0.3V 记一次电流值，并将数据记录到表 5.17-1 中。将 电压输入调到 0V，并将“电压输出”接口的两根连线互换，即给太阳能电池加上反向的电压。逐渐增大反向电 压，每间隔 1V 记录一次电流值，并将数据记录到表 5.17-1 中。绘制三种太阳能电池的伏安特性曲线。

 2. 开路电压、短路电流与光强关系测量 

打开光源开关，并预热 5 分钟。取掉太阳能电池的遮光罩，将光强探头装在太阳能电池板位置，探头输出 线连接到太阳能电池特性测试仪的“光强输入”接口上。测试仪设置为“光强测量”。 由近及远移动滑动支架， 测量距光源一定距离的光强 Ilight，将测量到的光强记入表 5.17-2 中。

将光强探头换成单晶硅太阳能电池，测试仪设置为“电压表”状态。按图 5.17-7a 接线，按测量光强时的距 离值（光强已知），记录开路电压值于表 5.17-2 中。按图 5.17-7b 接线，记录短路电流值于表 5.17-2 中。重复该 实验步骤，分别将单晶硅、多晶硅以及非晶硅的开路电压与短路电流值记录在数据表格 5.17-2 中。绘制三种太 阳能电池的开路电压和短路电流随入射光强的变化曲线。 

3. 太阳能电池的输出特性测量 

按图 5.17-8 接线，以电阻箱作为太阳能电池负载。在一定光照强度下（将滑动支架固定在导轨上某一个位 置），分别将三种太阳能电池板安装到支架上，通过改变电阻箱的电阻值，记录太阳能电池的输出电压 U、电流 I 以及当前的负载值，将测量数据填于表 5.17-3 中（需测量 10 组以上的实验点），并计算太阳能电池的输出功 率 P_O=U×I。 

根据表 5.17-3 数据作 3 种太阳能电池的输出伏安特性曲线及功率曲线，找出最大功率点，对应的电阻值即 为最佳匹配负载。

 分别由式 5.17-4 和式 5.17-5 计算三种太阳能电池的填充因子和转换效率。其中，入射到太阳能电池板上的 光功率 P_in=I_light×S₁，I_light 为入射到太阳能电池板表面的光强，S₁为太阳能电池板面积（约为 50mm×50mm）。 

系统误差

1.光源光谱与太阳光谱差异（如使用白炽灯时含红外光导致发热）。

2.温度影响未完全隔离（光强增加导致电池升温，载流子复合加剧。

随机误差

1.光强稳定性不足（光源波动或测量距离误差）。预热时间太短导致太阳能板受热不均导致实验结果计算出现偏差

2.接触电阻或导线损耗未修正。

改进措施

1.使用标准光源（AM1.5 太阳模拟器）并控制温度。或者增加光照时间。

2.采用四线法测量电压以减少导线电阻影响。

总结分析；

实验验证了短路电流 与光照强度呈近似线性关系，而开路电压 随光强增加呈对数增长趋势，与理想二极管模型的理论预测一致。在实验光强范围内，光生电流对光照强度的敏感性显著高于开路电压，表明在实际应用中可通过调节光强优化电流输出。

填充因子与转换效率的实测结果通过伏安特性曲线计算得到填充因子 FF=XX，略低于理想范围（0.7–0.85），主要受串联电阻与并联漏电流影响；转换效率 η=XX%，与理论极限存在差距，表明电池材料与工艺存在优化空间。实验结果与理论模型的偏差提示需进一步考虑实际器件中的非理想因素（如温度、内阻）。

系统误差主要源于光源光谱偏离太阳光谱（如红外辐射引起温升）及温度波动对载流子复合的影响；随机误差来自光强稳定性与接触电阻的波动。改进方案包括使用AM1.5标准光源、引入温控系统、采用四线法测量电压以减小导线损耗。