人类对太阳能的利用不是近年来的新鲜事，而是有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用金属四面镜聚焦太阳光来点火。进入20世纪，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用、太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电是一种新兴的可再生能源利用方式。使用太阳能电池，通过光电转换能把太阳光中包含的能量转化为电能; 使用太阳能热水器，可利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电; 还可利用太阳能进行海水淡化……需要指出的是，目前太阳能的利用还不是很普及，利用太阳能发电还存在成本高、转换效率低等问题。

【实验目的】

(1)了解太阳能电池的基本结构和工作原理;

(2)掌握太阳能电池基本特性参数测试原理与方法;

(3)通过分析太阳能电池基本特性参数测试数据，进一步熟悉实验数据分析与处理的方法，理解实验数据与理论结果间不完全一致的原因。

【实验原理】

1. 光生伏特效应

常见的太阳能电池从结构上说是一种浅结深、大面积的PN结，如图22.1所示。它的工作原理的核心是光生伏特效应。光生伏特效应是半导体材料的一种通性。当光照射到一块非均匀半导体材料上时，由于内建电场的作用，在半导体材料内部会产生电动势。如果构成适当的回路就会产生电流。这种电流叫做光生电流，这种内建电场引起的光电效应就是光生伏特效应。

图22.1 Si PN结太阳能电池结构示意图

非均匀半导体材料就是指材料内部杂质分布不均匀的半导体。PN结是典型的一个例子。N型半导体材料和P型半导体材料接触形成PN结。PN结根据制备方法、杂质在体内分布特征等有不同的分类。制备方法有合金法、扩散法、生长法、离子注入法，等等。杂质分布可能是线性分布的，也可能是存在突变的，PN结的杂质分布特征通常是与制备方法相联系的，不同的制备方法导致不同的杂质分布特征。

根据半导体物理学的基本原理，处于热平衡态的一个PN结结构由P区、N区和两者交界区域构成。为了维持统一的费米能级，P区内空穴向N区扩散，N区内电子向P区扩散。这种载流子的运动导致原来的电中性条件被破坏，P区积累了带有负电的不可动电离受主，N区积累了不可动电离施主。载流子扩散运动的结果导致P区带负电，N区带正电，在界面附近区域形成由N区指向P区的内建电场和相应的空间电荷区。显然，两者费米能级的不统一是导致电子空穴扩散的原因，电子空穴扩散又导致出现空间电荷区和内建电场。而内建电场的强度取决于空间电荷区的电场强度，内建电场具有阻止扩散运动进一步发生的作用。当两者具有统一费米能级后扩散运动和内建电场的作用相等，P区和N区两端产生一个高度为qVD的势垒。理想PN结模型下，处于热平衡的PN结空间电荷区没有载流子，也没有载流子的产生与复合作用。

如图22.2所示，当有入射光垂直入射到PN结时，只要PN结结深比较浅，入射光子会透过PN结区域甚至能深入半导体内部。如果光子能量满足关系hν≥Eg(Eg为半导体材料的禁带宽度)，那么这些光子会被材料本征吸收，在PN结中产生电子空穴对。光照条件下材料体内产生电子空穴对是典型的非平衡载流子光注入作用。光生载流子对P区空穴和N区电子这样的多数载流子的浓度影响是很小的，可以忽略不计。但是对少数载流子将产生显著影响，如P区电子和N区空穴。在均匀半导体中光照射下也会产生电子空穴对，它们很快又会通过各种复合机制复合。在PN结中情况有所不同，主要原因是存在内建电场。在内建电场的驱动下P区光生少子电子向N区运动，N区光生少子空穴向P区运动。这种作用有两方面的体现，第一是光生少子在内建电场驱动下定向运动产生电流，这就是光生电流，它由电子电流和空穴电流组成，方向都是由N区指向P区，与内建电场方向一致; 第二，光生少子的定向运动与扩散运动方向相反，减弱了扩散运动的强度，PN结势垒高度降低，甚至会完全消失。宏观的效果是在PN结两端产生电动势，也就是光生电动势。

通过上述分析，我们发现光照射PN结会使得PN结势垒高度降低甚至消失，这个作用完全等价于在PN结两端施加正向电压。这种情况下的PN结就是一个光电池。开路下PN结两端的电压叫做开路电压Voc，闭路下这种PN结等价于一个电源，对应的电流Isc称为闭路电流。光生伏特效应是太阳能电池的核心原理，它的机制就是光能转化为电能，开路电压和闭路电流是两个基本的参数。图22.2中EC为半导体导带，EV为半导体价带。

图22.2 光辐照下的PN结

2. 太阳能电池无光照情况下的电流电压关系(暗特性)

太阳能电池是依据光生伏特效应把太阳能或者光能转化为电能的半导体器件。如果没有光照，太阳能电池等价于一个PN结。通常把无光照情况下太阳能电池的电流电压特性叫做暗特性。简单的处理方式是把无光照情况下的太阳能电池等价于一个理想PN结。其电流电压关系为肖克莱方程:

式中，，为反向饱和电流。A、D、n、p和L分别为结面积、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，暗条件太阳能电池I-V曲线不对称，这就是PN结的单向导通性或者说整流特性。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，对电流电压特性具有影响的因素是温度。温度对半导体器件的影响是这类器件的通性。根据半导体物理原理，温度对扩散系数、扩散长度、载流子浓度都有影响，综合考虑，反向饱和电流为:

由此可见，随着温度升高，反向饱和电流随着指数因子迅速增大，且带隙越宽的半导体材料，这种变化越剧烈。

半导体材料禁带宽度是温度的函数Eg=Eg(0) +βT，其中Eg(0)为绝对零度时的带隙宽度。设有Eg(0) =e Vg0，Vg0是绝对零度时导带底和价带顶的电势差。由此可以得到含有温度参数的正向电流电压关系为:

显然，正向电流在确定外加电压下也是随着温度升高而增大的。

3. 太阳能电池光照情况下的电流电压关系(光特性)

光生少子在内建电场驱动下的定向运动在PN结内部产生了N区指向P区的光生电流IL，光生电动势等价于加载在PN结上的正向电压V，它使得PN结势垒高度降低qVD-qV。开路情况下光生电流与正向电流相等时，PN结处于稳态，两端具有稳定的电势差VOC，这就是太阳能电池的开路电压VOC。如图22.3所示，在闭路情况下，光照作用下会有电流流过PN结，显然PN结相当于一个电源。

图22.3 太阳能电池等效电路

光电流IL在负载上产生电压降，这个电压降可以使PN结正偏。如图22.3所示，正偏电压产生正偏电流IF。在反偏情况下，PN结电流为

随着二极管正偏，空间电荷区的电场变弱，但是不可能变为零或者反偏。光电流总是反向电流，因此太阳能电池的电流总是反向的。

根据图22.3的等效电路图，有两种极端情况是在太阳能电池光特性分析中必须考虑的。其一是负载电阻RL=0，这种情况下加载在负载电阻上的电压也为零，PN结处于短路状态，此时光电池输出电流我们称为短路电流或者闭路电流Isc。

I=Isc=IL(22.5)

其二是负载电阻RL→∞，外电路处于开路状态。流过负载电阻的电流为零，根据等效电路图22.3，光电流正好被正向结电流抵消，光电池两端电压Voc就是所谓的开路电压。显然有

这样就得到开路电路电压VOC为

开路电压VOC和闭路电路Isc是光电池的两个重要参数。实验上这两个参数可通过确定稳定光照下太阳能电池I-V特性曲线与电流、电压轴的截距得到。不难理解，随着光照强度增大，确定太阳能电池的闭路电流和开路电压都会增大。但是随光强变化的规律不同，闭路电路Isc正比于入射光强度，开路电压VOC随着入射光强度的增大呈对数式增大。从半导体物理基本理论不难得到这个结论。此外，从太阳能电池的工作原理考虑，开路电压VOC不会随着入射光强度增大而无限增大，它的最大值是使得PN结势垒为零时的电压值。换句话说，太阳能电池的最大光生电压为PN结的势垒高度VD，是一个与材料带隙、掺杂水平等有关的值。实际情况下最大开路电压值与材料的带隙宽度相当。

4. 太阳能电池的效率

太阳能电池从本质上说一个能量转化器件，它把光能转化为电能。因此，讨论太阳能电池的效率是必要的和重要的。根据热力学原理，我们知道任何的能量转化过程都存在效率问题，实际发生的能量转化过程效率不可能是100%。就太阳能电池而言，我们需要知道转化效率和哪些因素有关，如何提高太阳能电池的效率，最终我们期望太阳能电池具有足够高的效率。太阳能电池的转换效率η定义为输出电能Pm和入射光能Pin的比值:

其中，ImVm在I-V关系中构成一个矩形，叫做最大功率矩形。如图22.4所示，光特性I-V曲线与电流、电压轴交点分别是闭路电流和开路电压。最大功率矩形取值点Pm的物理含义是太阳能电池最大输出功率点，数学上是I-V曲线上坐标相乘的最大值点。闭路电流和开路电压也自然构成一个矩形，面积为IscVoc，定义为占空系数，图形中它是两个矩形面积的比值。占空系数反映了太阳能电池可实现功率的度量，通常的占空系数在0.7～0.8之间。

图22.4 太阳能电池最大功率矩形

太阳能电池本质上是一个PN结，因而具有一个确定的禁带宽度。从原理我们得知只有能量大于禁带宽度的入射光子才有可能激发光生载流子并继而发生光电转化。因此，入射到太阳能电池上的太阳光只有光子能量高于禁带宽度的部分才会实现能量的转化。Si太阳能电池的最大效率大约是28%。对太阳能电池效率有影响的还有其他很多因素，如大气对太阳光的吸收，表面保护涂层的吸收、反射，串联电阻热损失，等等。综合起来考虑，太阳能电池的能量转换效率大致在10%～15%之间。

为了提高单位面积的太阳能电池电输出功率，可能采取的办法中通过光学透镜集中太阳光是有效的。太阳光强度可以提高几百倍，闭路电流呈线性增大，开路电流呈指数式增大。不过具体的理论分析发现，太阳能电池的效率随着光照强度增大不是急剧增大的，而是有轻微增大。但是考虑到透镜价格相对于太阳能电池来说比较低廉，因而透镜集中也是一个有优势的技术选择。

图22.5给出了对某种商用太阳能电池板室温(25℃)下实际测量得到的暗特性I-V曲线。

图22.5 实测太阳能电池暗特性曲线

图22.6是对某种商用太阳能电池板室温(25℃)下、150W氙灯光源直接照射下得到的光特性I-V曲线、功率曲线和最大功率矩形示意图。

图22.6 实测太阳能电池光特性曲线

【实验仪器】

本实验选用DH6521A型多功能太阳能电池综合特性测试仪，设备结构如图22.7所示。设备包括光源与太阳能电池、光路和温度控制装置及外电路电源三个部分。

图22.7 设备结构示意图

(1)光源与太阳能电池部分

实验采用高压氙灯光源，图22.8为氙灯电源。高压氙灯具有与太阳光相近的光谱分布特征。光源标称功率为150W，出射光孔径为50mm，氙气灯作为光源也可以用作其他实验的研究; 太阳能电池采用普通商用单晶Si太阳能电池，实物如图22.9所示，标称开路电压为4.5V，受光面积为43mm×43mm。(www.daowen.com)

图22.8 氙灯电源面板图

图22.9 单晶硅太阳能电池板

(2)光路部分

本设备光路由有效通光孔径φ56mm的准直透镜、组合式滤色片组成。准直透镜用于产生平行入射光束，光强度部分通过调节氙灯电压来实现，通过波长分别为365nm、405nm、436nm、546nm、577nm的滤色片用于产生近似的单色光来研究太阳能电池的光谱响应特性。各部分均可以调节至实验所需的最佳位置，调节凸透镜时，须先将氙灯与光路部分对接，再将氙灯点亮，用万用表监视信号输入/输出口(为太阳能电池的输出口)的电源输出值，凸透镜起始位置在靠近光源(入光口)处，当凸透镜调至某一合适位置，其输出电压值为最大，此时，该位置便为最佳位置。实验时，不要再移动凸透镜。滤色片的位置靠近太阳能电池(出光口)处。

(3)温度控制及外电路电源

本设备包括温度控制装置和直流电源，温度控制装置如图22.10所示，温度控制箱面板如图22.11所示，Pt100温度变换器如图22.12所示，直流电源面板如图22.13所示。

图22.10 温度控制装置面板示意图

图22.11 温度控制箱面板示意图

图22.12Pt100温度变换器示意图

图22.13 直流电源面板示意图

温控部分的加入主要是用来研究温度对太阳能电池特性的影响。温度可在室温～80℃间选择，加热电流可调。

太阳能电池特性测试部分包括太阳能电池暗特性及光特性的测试。暗特性测试电压范围为0～±30V，用于暗特性的正偏、反偏测试。光特性测试中电流表量程为2A，最小电流分辨率为1μA，电压量程为30V，最小电压分辨率为0.01V。负载电阻变化范围为0～99999.9Ω。

【实验内容及步骤】

1. 太阳能电池暗特性测试

测试反偏电压V下通过太阳能电池的电流I，电压范围为-30～0V; 测试正向偏压下通过太阳能电池的电流I，电压范围为0～30V。(通过极性切换开关，可以得到极性相反的电压。)

汇总测试数据形成I-V特性曲线。测量不同温度下的特性曲线，根据理想PN结电流电压方程对正偏实验数据进行拟和。

测试中根据数据点规律适当分配数据点密集程度。实验测试电路如图22.14所示。

图22.14 暗特性实验电路图

说明: D为太阳能电池暗特性时的表示符号，E为外接直流电源(极性可以切换)， V、mA均为四位半数字万用表。

2. 太阳能电池光照特性测试

(1)光路高度调节

做光照特性实验时，先进行光路部分的高度调节: 接好氙灯电源的连接线，打开氙灯电源，可以看到有一束光射进箱内，先将凸透镜与入光口的高度保持一致，再调节滤色片的高度与出光口的高度一致。

(2)光路最佳位置的调节

按图22.14实验电路图接线，将电阻箱开路，微调凸透镜的前后左右位置，使其输出至数字万用表的电压值显示为最大，滤色片位置可以不变，即贴在出光口上。加热部分有三个可用来调节水平的铜质螺钉，其作用可使加热箱能与光路箱紧贴。

(3)光照实验内容

①不加载滤色片、光强度最大条件下通过改变负载电阻来测试太阳能电池I-V特性曲线，汇总数据形成I-V特性曲线，然后根据特性曲线求解开路电压VOC和闭路电流ISC;

②不加载滤色片，在两种不同光强下测量I-V特性，得到不同光强下的I-V特性曲线、开路电压、闭路电流数据;

③最大光强下，加载不同滤色片，测量I-V特性，得到不同单色光照情况下的I-V特性曲线、开路电压、闭路电流数据;

④不同温度(包括升温和降温实验)下重复①得到不同温度下I-V特性曲线、开路电压、闭路电流数据。

对比光强度、滤色片、温度对太阳能电池的I-V特性的影响，根据I-V曲线计算出不同测量参数下的最大功率矩形的值，进而计算出占空系数。

实验测试电路如图22.15所示。

图22.15 光照特性实验电路图

说明: S为太阳能电池在光照条件下的表示符号，V、mA均为四位半数字万用表， R为0～99999.9Ω(型号ZX21-HZDH)可调电阻箱。

【思考题】

(1)为了得到较高的光电转化效率，太阳能电池在高温还是低温下工作有利?

(2)实验中太阳能电池表面不垂直入射光束，对实验会产生什么影响?

(3)为了尽可能提高太阳能电池的光电转换效率，太阳能电池表面应该怎么处理为好?

(4)不同单色光下太阳能电池的光照特性有什么变化? 为什么?

(5)根据实验结果，日常使用太阳能电池时应该注意哪些问题?

【注意事项】

(1)在打开氙灯电源之前，一定要检查输出是否接好，并将光强调节拧到最大，否则难以触发氙灯。

(2)如果风扇不能正常工作，请立即关闭电源，以免内部温度过高烧坏灯泡。

(3)加热温度不宜设置过高，一般不超过100℃，以免对加热设置造成毁灭性损坏。

(4)实验操作时，要注意轻拿轻搬轻放，切不可用力过猛，造成设备损坏，尤其是氙灯灯泡。

(5)加热箱里的太阳能电池板表面在实验前须进行检查，对表面进行擦拭，以保持电池板表面清洁，使实验得以顺利进行。除此之外，加热箱入光处的石英玻璃也要保持清洁，最好也在实验之前进行擦拭。