太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照射到，瞬间就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏，简称光伏。

【实验目的】

(1)了解太阳能电池发电的原理;

(2)了解太阳能发电系统的构成及其能量转化过程;

(3)了解外部环境对太阳能电池发电的影响;

(4)理解光照强度和角度对太阳能电池发电的影响;

(5)了解太阳能电池板的电压电流输出特性。

【实验原理】

太阳能电池发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。它由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成，其系统组成如图21.1所示。

图21.1 太阳能电池发电系统示意图

1. 太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V，工作电流约为20～25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率。

(1)硅太阳能电池单体

常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。

太阳能电池的结构如图21.2所示。

图21.2 太阳能电池单体、组件和方阵

光由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。

将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流; 太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

(2)硅太阳能电池种类

目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池: 单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为13%～18%，产品化多晶硅太阳能电池的光电转换效率为11%～15%，产品化非晶硅太阳能电池的光电转换效率为5%～8%。

(3)太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片(10cm×10cm)，这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。

通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。

这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。

组件的电气特性主要是指电流-电压输出特性，也称为V-I特性曲线，如图21.3所示。V-I特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流I与电压V在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V=0，此时的电流称为短路电流ISC;如果电路开路即I=0，此时的电压称为开路电压VOC。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V×I。

图21.3 太阳能电池的电流-电压特性曲线

SC: 短路电流 Im: 最大工作电流 V: 电压 Voc: 开路电压 Vm: 最大工作电压

当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零(短路条件下)开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加; 当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。组件的输出功率达到的最大点，称为最大功率点; 该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压); 该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流); 该点的功率，称为最大功率Pm。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1℃每片电池的电压减少5m V，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。

太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件(STC)下进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是: 光谱辐照度为1000W/m2，大气质量系数为AM1.5，太阳能电池温度为25℃。

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peak watt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。

通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接收到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置; 此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10%或更大。

如果太阳能电池组件被其他物体(如鸟粪、树阴等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重的破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

连接盒是一个很重要的元件，它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。

太阳能电池是一种以PN结上接收太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将太阳光的辐射能量转化为电能的光电半导体薄片，它只要被光照射，瞬间就可输出电压及电流。其原理是: 当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，获得超脱原子束缚的能量，由此在半导体材料内形成非平衡状态的电子-空穴对。少数电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中复合恢复平衡状态。其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光伏电池能量自动损耗部分。一般大多数的少数载流子由于PN结对少数载流子的牵引作用而漂移通过PN结到达对方区域，对外形成与PN势垒电场方向相反的光生电场。一旦接通电路就有电能对外输出。

太阳能电池是由P型半导体材料和N型半导体材料结合而成，N型半导体材料中含有较多的空穴，而P型半导体材料中含有较多的电子。当P型和N型半导体材料结合时在结合处会形成势垒电势。如图21.4所示。

图21.4 太阳能电池板未受光照时的状态

当电池板在受光照过程中，带正电的空穴往P型区漂移，带负电的电子往N型区漂移，PN结形成与势垒电场相反的光电电场，并随着电子和空穴不断移动而增强。如图21.5所示。

图21.5 太阳能电池板开始受光照时的状态

一段时间后，电子和空穴的漂移和自由扩散达到平衡，光电电场最终达到饱和。在接上连线和负载后，电子从电池板的N型区流出，通过负载到P型区，就形成电流，如图21.6所示。

图21.6 太阳能电池板受光照一段时间后的状态

光伏应用系统包括光伏阵列、蓄电池、控制器和逆变器等主要部件。其构成如图21.7所示，光伏阵列首先把太阳光辐射能量转换为PN结的光生电场，通过阵列的引线把光生电场的电能以直流电能的形式传送出来。这时的直流电能电压、电流、功率等都受光伏阵列的本身特性和工作环境影响，不够稳定。

光伏阵列输出的直流电能经由控制器的直-直或直-交变换后，得到稳定的直流或交流电能，可以直接供给直流或交流电机使用，这时电能将转化为机械能，机械能用于带动水泵，从而转化为水的重力势能。而这些水如果用于存储发电，就可以再把水的重力势能再转化回到电能。这样可以省掉蓄电池等能量存储设备。

另外，光伏阵列输出直流电能通过控制器的直-直变换功能，得到相对稳定的直流电能存储到蓄电池组中，成为稳定的可存储的直流电能。蓄电池中的直流电能通过逆变器后，转化为交流电能。交流电能可以供用户使用，用于照明、动力等; 也可以并入电网，传送至远方; 还可以供其他设备使用。另外，在存储和转化过程中，不可避免地存在能量以热能或其他形式损耗和流失。

图21.7 光伏系统结构图

光伏电池工作环境多种因素如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池板的性能指标带来影响，而温度和光照强度的影响往往是同时存在的。

2. 光谱响应

(1)绝对光谱响应

绝对光谱响应指当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上时，将产生不同的短路电流，按波长的分布求出对应短路电流变化曲线。分析光伏电池的光谱响应，通常讨论其相对光谱响应，定义为: 当各种波长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比较，按波长的分布求其值变化曲线即为相对光谱响应。

图21.8为某一光伏电池的相对光谱响应曲线。从曲线可以看出，能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在0.4～1.2μm，最大灵敏度在0.8～0.95μm之间。

图21.8 光谱响应曲线

(2)温度特性和光照特性

光伏电池的温度特性是指: 光伏电池工作环境的温度和电池吸收光子之后自身温度升高对电池性能的影响; 由于光伏电池材料内部的很多参数都是温度和光照强度的函数，如本征载流子浓度、载流子的扩散长度、光子吸收系数等，所以反映到光照特性就是硅型光伏电池的电气性能和光照强度之间的关系。图21.9为常温下不同日照的伏安特性，图21.10为日照不同温度下的伏安特性。(www.daowen.com)

图21.9 常温下不同日照的伏安特性

图21.10 日照不同温度下的伏安特性

【实验仪器】

实验装置如图21.11所示，XSLT-Ⅰ太阳光伏发电实训系统含太阳能电池板、能量转换存储与逆变系统、负载与监控系统、模拟负载、太阳能电池板电流表、太阳能电池板电压表。

图21.11 平台实物

(1)太阳能电池板

太阳能电池板如图21.12所示。

图21.12 追日装置

(2)能量转换存储与逆变系统、负载与监控系统

图21.13是能量转换存储与逆变系统、负载与监控系统。能量转换存储与逆变系统主要由直流电压采集模块、温度采集模块、驱动模块、直流电流采集模块、蓄电池组、直流负载、人机界面、空气开关、直流电压表、直流电流表、多功能表等模块组成。能量转换存储控制系统将太阳能电池板发出的电量提供给直流负载和蓄电池，或输送给逆变器使用。该系统具有温度检测、充放电检测、PWM脉宽调制以及过冲、过放保护等功能。

图21.13 能量转换存储与逆变系统

负载与监控系统如图21.14所示。负载系统由空开、节能灯和风扇组成，监控系统由PC机、显示器、打印机、组态软件等组成。

主要功能:

显示充电电压、充电电流、功率、运行状态;

图21.14 负载与监控系统

显示蓄电池电压、蓄电池放电电流、蓄电池放电功率、蓄电池运行状态;

显示负载电压、负载电流、负载功率、负载状态;

显示当前温度、温度补偿系数，各种参数保护、实时数据显示与处理、详细的事故记录、报警参数设定、对用户提供权限管理、密码登录等。

【实验内容及步骤】

1.1 在追日控制系统中，按照该系统使用说明书，启动光源，将光照射到太阳能电池板上。

1.2 在能量转换控制存储系统面板上，闭合总电源和模拟负载断路器。

1.3 此时观察太阳能电池板电流表和太阳能电池板电压表的读数，并作出记录。

1.4 使用不透光的遮挡板遮挡太阳能电池板(电池板分别遮挡0%、25%、50%、100%)，然后再观测太阳能电池板输出的直流电压值，并作记录。

1.5 调整光源位置，固定电池板位置，观察电压变化，并作记录。

1.6 研究光伏电池板参数，见电池板后铭牌，并记录下来。

2.1 在能量转换存储与逆变系统面板上，打开总电源和模拟负载电源。

2.2 观测光源模拟跟踪系统，确保部分指数为出厂状态，如果不能充电，请见本实训手册里面参数调节章节。

2.3 此时观测光伏输入电压，并作记录。

2.4 分别测量蓄电池电压值和太阳能电压值，并记录下两个电压值，再接入太阳能电池。

2.5 观察充电电流表，记录下太阳能电池为蓄电池充电的电流值，此时光伏电池发出的电能被存储到蓄电池中。

3.1 在能量转换存储与逆变系统面板上，保持总电源开关处于闭合状态。

3.2 此时观测光伏输入电压，并作记录。

3.3 转动太阳能电池板的支架，改变太阳光线与太阳能电池板之间的入射角度，测得在各角度时，太阳能电池板输出电压并填入表格(自拟)。

3.4 选择足够大的几种遮光度不同的材料，如白纸、布、塑料膜等，分别用所选择的材料遮挡整块电池板，记录每一种情况下太阳能电池板输出的端电压。

3.5 用同一遮挡板遮挡太阳能电池板，按照被遮挡部分的面积增加或减小的顺序，测量并记录太阳能电池板输出的电压值。(不能长时间只对某一部分太阳能电池板进行遮挡)。

4.1 在能量转换存储与逆变系统面板上，保持总电源和模拟负载电源断路器处于闭合状态。

4.2 此时观察直流单元观测光伏输入电压和光伏输出电流，并作记录。

4.3 调节模拟负载上的电位器，观察光伏输入电流、电压表，并记录数据。

4.4 该操作相当于再将负载直接接在太阳能电池板，记录电压值，对比太阳能电池板端电压的变化情况。

4.5 旋动旋钮改变负载值，测量每一个负载下太阳能电池板输出电压和电流值，得到太阳能电池板输出功率，分析负载对太阳能电池板的影响。选择适当的可改变的功率负载，直接连接到太阳能电池板的输出端子上，当负载大小改变时，记录输出的电压和电流值。

5.1 找到光源模拟跟踪控制系统，按照该系统使用说明书，启动光源，将光照射到太阳能电池板上。

5.2 在能量转换存储与逆变系统面板上，保持总电源空开和充电控制器空开处于闭合状态。

5.3 先记录蓄电池端电压，然后接入适当的负载，记录蓄电池电压、负载电压和放电电流值。

5.4 再闭合太阳能输入空开，接入太阳能电池板输入，为蓄电池充电，测量太阳能电压、蓄电池电压和充电电流值。将数据填入下表。

5.5 每间隔5分钟，记录一次数据。

【思考题】

(1)太阳能电池发电系统由哪几部分构成?

(2)简述太阳能电池的工作原理。

【注意事项】

(1)要使用足够大的遮挡板，能够完全覆盖整个电池板; 本实验也可以选择在多云等日照情况变化较剧烈的天气进行。

(2)在使用同一块遮挡板改变其遮挡面积的试验中，要尽快测得3～5组数据，不可长时间使电池板某一部分处于遮挡状态。

(3)不要在带电情况下进行接线，这样有导致人身伤害、设备损坏的危险。