太阳能应用实验 能源的重要性人人皆知,由于煤、石油、天然气等最主要能源的大量消耗,能源危机已成 为世人关注的全球性问题。据估计,2015年后,廉价的石油供应将开始减少,40年后石油将 告罄,煤炭也只能供200年开采,天然气到2060年也将枯竭。同时,人们对环境保护正日益 重视,世界各国都在积极地研究和开发其他各种清洁能源,可以预计,21世纪人类将进入新 型能源时代。 太阳给人们带来光和热,它一年内投射到地球上的辐射能相当于地球上一年所消耗的各种 能量的3万倍,按核聚变理论计算,太阳的辐射能可持续1亿年,太阳能几乎是一种取之不尽、 用之不竭的能源。为了利用太阳能,早在1954年人们就已研制成功了硅太阳能电池,但当时 由于代价太高而只能用于人造卫星和宇宙飞船。经过人们几十年的努力,太阳能电池的转换效 率不断提高,成本却逐渐降低,从而促使硅太阳能电池进入到民用领域,并获得广泛应用 太阳能是一种清洁能源、绿色能源,在由太阳能转变为电能的过程中,不会产生废料、废 气、噪声、烟尘,也不会对水、空气和地面产生任何污染;在使用过程中安全可靠;维护方便, 规模大小可根据需要而定。因此世界各国都十分重视对太阳能的利用 【实验目的】 1.了解太阳能电池的主要工作特性(通过实验主要了解伏安特性、光谱特性、光照特性、温 度特性和方向特性)。 2.通过对太阳能草地灯原理的分析、电路组装及测试(充电、放电电流、电压),了解太阳 能充电器的原理。 【实验原理】 1.硅太阳能电池的工作原理 用单晶硅或多晶硅做材料,直接将太阳能转变为电能的电池叫硅太阳能电池,它的基本材 料是一片超薄P型单晶硅,厚度一般在0.4mm以下,上面为N型受光层,在基体和受光层之间 形成N结,在受光层上覆盖着一层天蓝色氧化硅膜,使入射光的有效吸收率达90%以上。硅 太阳能电池的光电转换机理是光生伏特效应,具体说来,就是硅光电池中的PN结受到光照射 时,如果光子能量ⅳ大于禁带宽度Eg时,在势垒区中就会产生电子一空穴对,电子一空穴对 在内建电场的作用下,空穴和电子分别漂移并聚集在P区和N区。另外,由于光子的激发,P 区产生的电子一空穴对中的空穴和N区产生的电子一空穴对中的电子受内建电场的作用,不能 进入势垒区,而P区中的电子和N区中的空穴,如果能扩散到势垒区,则会受到内建电场的作 用,分别聚集到结两侧的N区和P区,这样在P区和N区就分别聚集了空穴和电子,分别带上 正电和负电,因而产生电动势。如果用导线和负载连结起来,就能产生电流和输出功率,成为 光电池。 2.硅太阳能电池的主要参数
1 太阳能应用实验 能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等最主要能源的大量消耗，能源危机已成 为世人关注的全球性问题。据估计，2015 年后，廉价的石油供应将开始减少，40 年后石油将 告罄，煤炭也只能供 200 年开采，天然气到 2060 年也将枯竭。同时，人们对环境保护正日益 重视，世界各国都在积极地研究和开发其他各种清洁能源，可以预计，21 世纪人类将进入新 型能源时代。 太阳给人们带来光和热，它一年内投射到地球上的辐射能相当于地球上一年所消耗的各种 能量的 3 万倍，按核聚变理论计算，太阳的辐射能可持续 1 亿年，太阳能几乎是一种取之不尽、 用之不竭的能源。为了利用太阳能，早在 1954 年人们就已研制成功了硅太阳能电池，但当时 由于代价太高而只能用于人造卫星和宇宙飞船。经过人们几十年的努力，太阳能电池的转换效 率不断提高，成本却逐渐降低，从而促使硅太阳能电池进入到民用领域，并获得广泛应用。 太阳能是一种清洁能源、绿色能源，在由太阳能转变为电能的过程中，不会产生废料、废 气、噪声、烟尘，也不会对水、空气和地面产生任何污染；在使用过程中安全可靠；维护方便， 规模大小可根据需要而定。因此世界各国都十分重视对太阳能的利用。 【实验目的】 1. 了解太阳能电池的主要工作特性（通过实验主要了解伏安特性、光谱特性、光照特性、温 度特性和方向特性）。 2. 通过对太阳能草地灯原理的分析、电路组装及测试（充电、放电电流、电压），了解太阳 能充电器的原理。 【实验原理】 1. 硅太阳能电池的工作原理 用单晶硅或多晶硅做材料，直接将太阳能转变为电能的电池叫硅太阳能电池，它的基本材 料是一片超薄 P 型单晶硅，厚度一般在 0.4mm 以下，上面为 N 型受光层，在基体和受光层之间 形成 PN 结，在受光层上覆盖着一层天蓝色氧化硅膜，使入射光的有效吸收率达 90％以上。硅 太阳能电池的光电转换机理是光生伏特效应，具体说来，就是硅光电池中的 PN 结受到光照射 时，如果光子能量 hv 大于禁带宽度 Eg 时，在势垒区中就会产生电子—空穴对，电子—空穴对 在内建电场的作用下，空穴和电子分别漂移并聚集在 P 区和 N 区。另外，由于光子的激发，P 区产生的电子—空穴对中的空穴和 N 区产生的电子—空穴对中的电子受内建电场的作用，不能 进入势垒区，而 P 区中的电子和 N 区中的空穴，如果能扩散到势垒区，则会受到内建电场的作 用，分别聚集到结两侧的 N 区和 P 区，这样在 P 区和 N 区就分别聚集了空穴和电子，分别带上 正电和负电，因而产生电动势。如果用导线和负载连结起来，就能产生电流和输出功率，成为 光电池。 2. 硅太阳能电池的主要参数
(1)光电转换效率 n po/p 其中p为光电池的输出功率,D为入射在光电池上的光功率。目前硅太阳能电池产品的 转换效率可达15%左右,已有多种太阳电池可达20%以上,特殊的甚至可超过30%从材料、 结构和特性等方面不断改进,提高转换效率是主要的追求目标。 (2)硅太阳能电池的光谱响应 0 0.6 去0.5 世0.2 0050060070080090010001100 波长/mm 电压八V 图1硅太阳能电池光谱响应曲线 图2硅太阳能电池光电伏安特性曲线 太阳光的光谱范围主要是在300nm~3000m之间,不同波长范围,光能量不同。在高空 地面或太阳位于不同的角度,其光谱也有所不同。为了充分利用太阳能,硅太阳能电池的光谱 特性一定要尽量接近太阳光谱,这就要从材料、结构、结深、表面光学性能、厚度等各方面进 行研究。图1是用于空间的对短波比较灵敏的薄型空间硅太阳能电池的光谱响应曲线。 3)光照伏安特性曲线 伏安特性曲线是判断太阳能电池性能的重要参数,图2是Sin/p空间电池的光电伏安特 性曲线,图中Px点是输出功率最大值。为了获得最大输出功率,就必须选用最佳负载,与此 相适应就要有最佳工作电压V和最佳工作电流。为了反映硅太阳能电池输出功率的能力 定义曲线因子(或填充因子)F·F为: F·F=n 式(2)中:Isc和Woc分别为短路电流和开路电压,好的光电池的F·F通常在80%左右。硅太 调节控制装置 太阳能电池方阵D 负载 蓄电池 图3太阳能电源的基本组成
2 (1)光电转换效率 η=po／pi （1） 其中 po 为光电池的输出功率，pi 为入射在光电池上的光功率。目前硅太阳能电池产品的 转换效率可达 15％左右，已有多种太阳电池可达 20％以上，特殊的甚至可超过 30％。从材料、 结构和特性等方面不断改进，提高转换效率是主要的追求目标。 (2)硅太阳能电池的光谱响应 太阳光的光谱范围主要是在 300nm～3000nm 之间，不同波长范围，光能量不同。在高空、 地面或太阳位于不同的角度，其光谱也有所不同。为了充分利用太阳能，硅太阳能电池的光谱 特性一定要尽量接近太阳光谱，这就要从材料、结构、结深、表面光学性能、厚度等各方面进 行研究。图 1 是用于空间的对短波比较灵敏的薄型空间硅太阳能电池的光谱响应曲线。 (3)光照伏安特性曲线 伏安特性曲线是判断太阳能电池性能的重要参数，图 2 是 Si n／p 空间电池的光电伏安特 性曲线，图中 Pmax 点是输出功率最大值。为了获得最大输出功率，就必须选用最佳负载，与此 相适应就要有最佳工作电压 Vm 和最佳工作电流 Im。为了反映硅太阳能电池输出功率的能力， 定义曲线因子(或填充因子)F·F 为： SC OC m m I V I V F F = （2） 式(2)中：Isc 和 Voc 分别为短路电流和开路电压，好的光电池的 F·F 通常在 80％左右。硅太 图 3 太阳能电源的基本组成 图 1 硅太阳能电池光谱响应曲线 图 2 硅太阳能电池光电伏安特性曲线
阳能电池的输出受温度影响较大,类似于硅光电池,但抗辐射性能好。 3.太阳能电源的基本组成 太阳能电源的基本组成为:太阳能电池方阵、蓄电池、调节控制装置和负载,如图3所示 其中二极管D是为了防止蓄电池中的电流倒流。传统的蓄电池一一铅酸蓄电池已逐渐被镍镉电 池、镍氢电池、锂电池所代替。 太阳能电池方阵输出功率的大小主要取决气象条件:年日照时数、阴雨天数、使用地点的 纬度、海拔高度、气温、湿度和风沙等情况,另外还需考虑用电的特点、所需电压和电流的大 小、是否连续用电等,上述因素在设计和估算太阳能电源的参数时必须充分考虑。 太阳能电池输出电压Uo的估算公式为: Uo=U+U2+U3 式(3)中:U1为蓄电池的浮充电压,它与所选用的蓄电池种类有关。对于一般负载,每个 碱性镍镉电池为1.4V(额定电压为1.25V),每个低放电铅酸蓄电池为2.35V(额定电压为2V)。 U2为线路损耗压降,主要是防反二极管压降。对于锗二极管正向压降一般取0.3V-0.5V,硅 极管取0.5V—0.V。U3为由于太阳能电池温度升高而引起的输出电压的下降值。太阳能草地 灯线路(如图4所示), 充电 图4太阳能草地灯电路图 【实验内容】 1.光照伏安特性曲线测绘 设计测绘电路,测绘在台灯照明下草地灯太阳能电池的伏安特性曲线,确定最佳负载、最 佳工作电压V和最佳工作电流L、光电池的曲线因子F·F。 2.近似测出在一定光照条件下(光谱特性、光照特性、温度特性和方向特性)太阳能电池 板的开路电压和短路电流的数值。 表1太阳能电池板特性数据记录表(参考) 。开路电压(V) 短路电流(mA) 室内日光灯 白炽灯(垂直方向15cm)
3 阳能电池的输出受温度影响较大，类似于硅光电池，但抗辐射性能好。 3. 太阳能电源的基本组成 太阳能电源的基本组成为：太阳能电池方阵、蓄电池、调节控制装置和负载，如图 3 所示。 其中二极管 D 是为了防止蓄电池中的电流倒流。传统的蓄电池——铅酸蓄电池已逐渐被镍镉电 池、镍氢电池、锂电池所代替。 太阳能电池方阵输出功率的大小主要取决气象条件：年日照时数、阴雨天数、使用地点的 纬度、海拔高度、气温、湿度和风沙等情况，另外还需考虑用电的特点、所需电压和电流的大 小、是否连续用电等，上述因素在设计和估算太阳能电源的参数时必须充分考虑。 太阳能电池输出电压 Uo 的估算公式为： Uo=U1+U2+U3 (3) 式(3)中：U1 为蓄电池的浮充电压，它与所选用的蓄电池种类有关。对于一般负载，每个 碱性镍镉电池为 1.4V(额定电压为 1.25V)，每个低放电铅酸蓄电池为 2.35V(额定电压为 2V)。 U2 为线路损耗压降，主要是防反二极管压降。对于锗二极管正向压降一般取 0.3V-0.5V，硅二 极管取 0.5V—0.7V。U3 为由于太阳能电池温度升高而引起的输出电压的下降值。太阳能草地 灯线路（如图 4 所示）， 【实验内容】 １．光照伏安特性曲线测绘 设计测绘电路，测绘在台灯照明下草地灯太阳能电池的伏安特性曲线，确定最佳负载、最 佳工作电压 Vm 和最佳工作电流 Im、光电池的曲线因子 F·F。 ２．近似测出在一定光照条件下（光谱特性、光照特性、温度特性和方向特性）太阳能电池 板的开路电压和短路电流的数值。 表 1 太阳能电池板特性数据记录表（参考） 光照条件 开路电压（V） 短路电流（mA） 室内日光灯 白炽灯（垂直方向 15cm） 图 4 太阳能草地灯电路图
白炽灯(垂直15cm、光电池板用 黑纸挡掉一半) 白炽灯(45度角入射) 白炽灯(5cm近距离) 白炽灯(5cm近距离加热2min) 3.分析实验室提供的太阳能草地灯工作原理(线路如图4所示),组装并研究测试其性能的 方法。 表2太阳能草地灯电路特性数据记录表(参考) 太阳能电池照明情况 测试点 闲用黑纸挡光)室内日光灯 台灯(垂直方向台灯用黑纸挡 15cm) 住一半) S+对地电压(Ⅴ) 在S+点串联测量 太阳能电池电流 (mA) B+对地电压() 在B+点串联测量 充电电池电流 4.请分析实验数据的意义。 5.假设已知面积1cm2的硅光电池在5001x光照条件下开路电压为0.48V,短路电流为10mA 如果要设计一个12V、15W的太阳能路灯,请问需要什么样的蓄电池(Ah)和多大面积的太阳 能电池,才能保证该路灯在白天充电,而整个晚上点亮?(提示:充电电流一般是充电电池容 量除以10h)。 【注意事项】 1.硅光电池薄而脆,容易损坏,表面也容易沾污,实验时应注意爱护 2.搞清万用表各档及插孔的使用方法,如果万用表只显示1,说明已溢出,请换一档高量程 3.光照方向对光电池输出影响较大,实验时应予以注意 4.实验结東必须拆散电路,整理好仪器 5.如果长期得不到充电,充电电池电能会耗尽,此时需对电池进行恢复性充电
4 白炽灯（垂直 15cm、光电池板用 黑纸挡掉一半） 白炽灯（45 度角入射） 白炽灯（5cm 近距离） 白炽灯（5cm 近距离加热 2min） ３．分析实验室提供的太阳能草地灯工作原理（线路如图 4 所示），组装并研究测试其性能的 方法。 表 2 太阳能草地灯电路特性数据记录表（参考） 测试点 太阳能电池照明情况 无光 (用黑纸挡光) 室内日光灯 台灯(垂直方向 15cm) 台灯(用黑纸挡 住一半) S+对地电压（V） 在 S+点串联测量 太阳能电池电流 （mA） B+对地电压（V） 在 B+点串联测量 充电电池电流 （mA） ４．请分析实验数据的意义。 ５．假设已知面积 lcm2 的硅光电池在 500lx 光照条件下开路电压为 0.48V，短路电流为 lOmA。 如果要设计一个 12V、15W 的太阳能路灯，请问需要什么样的蓄电池（Ah）和多大面积的太阳 能电池，才能保证该路灯在白天充电，而整个晚上点亮？(提示: 充电电流一般是充电电池容 量除以 10h) 。 【注意事项】 1. 硅光电池薄而脆，容易损坏，表面也容易沾污，实验时应注意爱护。 2. 搞清万用表各档及插孔的使用方法,如果万用表只显示 1,说明已溢出,请换一档高量程。 3. 光照方向对光电池输出影响较大，实验时应予以注意。 4. 实验结束必须拆散电路，整理好仪器。 5. 如果长期得不到充电，充电电池电能会耗尽，此时需对电池进行恢复性充电