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能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。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。另一方面,煤炭、石油等矿物能源的使用,产生大量的C°『so等温室气体,造成全球变暖,冰川融化,海平面升高,暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生,给人类带来无穷的烦恼。根据计算,现在全球每年排放的已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主,CO2的排放量占世界的15%,仅次于美国,所以减少排放CO2、SO2等温室气体,已经成为刻不容缓的大事。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。
广义地说,太阳光的辐射能、水能、风能、生物质能、潮汐能都属于太阳能,它们随着太阳和地球的活动,周而复始地循环,几十亿年内不会枯竭,因此我们把它们称为可再生能源。太阳的光辐射可以说是取之不尽、用之不竭的能源。太阳与地球的平均距离为1亿5千万公里。在地球大气圈外,,称为太阳常数。到达地球表面时,部分太阳光被大气层吸收,光辐射的强度降低。在地球海平面上,正午垂直入射时,太阳辐射的功率密度约为1kW/m2,通常被作为测试太阳电池性能的标准光辐射强度。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49000亿吨标准煤的燃烧能。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,一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成蒸气,再驱动汽轮机发电,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计划”,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,太阳能电池可分为硅太阳能电池,化合物太阳能电池,聚合物太阳能电池,有机太阳能电池等。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。
本实验研究单晶硅,多晶硅,非晶硅3种太阳能电池的特性。
实验内容
实验原理
太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电,太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结,图1为P-N结示意图。
P型半导体中有相当数量的空穴,几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子,几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时,N区的电子(带负电)向P区扩散,P区的空穴(带正电)向N区扩散,在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒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,又称为结区或耗尽区。
当光电池受光照射时,部分电子被激发而产生电子-空穴对,在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和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,P-N结两端形成电压,这就是光伏效应,若将P-N结两端接入外电路,就可向负载输出电能。
在一定的光照条件下,改变太阳能电池负载电阻的大小,测量其输出电压与输出电流得到输出伏安特性,如图2实线所示。
负载电阻为零时测得的最大电流ISC称为短路电流。负载断开时测得的最大电压VOc称为开路电压。
太阳能电池的输出功率为输出电压与输出电流的乘积。同样的电池及光照条件,负载电阻大小不一样时,输出的功率是不一样的。若以输出电压为横坐标,输出功率为纵坐标,绘出的
P-V曲线如图2点划线所示。
输出电压与输出电流的最大乘积值称为最大
输出功率Pmax。
:
P
1)
F■F= max
sc
VXI
oc
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,〜。
转换效率n定义为:
$P
耳(%)=-
sP()
in
Pin为入射到太阳能电池表面的光功率。理论分析及实验表明,在不同的光照条件下,短路电流随入射光功率线性增长,而开路电压在入射光功率增加时只略微增加,如图3所示硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。
单晶硅太阳能电池转换效率最高,技术也最为成熟。%,规模生产时的效率可达到15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位。但由于单晶硅价格高,大幅度降低其成本很困难,为了节省硅材料,发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。
多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率可达到10%。因此,多晶硅薄膜电池可能在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。
非晶硅薄膜太阳能电池成本低,重量轻,便于大规模生产,有极大的潜力。如果能进一步解决稳定性及提高转换率,无疑是太阳能电池的主要发展方向之一。
实验仪器
图4太阳能电池实验装置
光源采用碘钨灯,它的输出光谱接近太阳光谱。调节光源与太阳能电池之间的距离可以改变照射到太阳能电池上的光功率,具体数值由光功率计测量。测试仪为实验提供电源,同时可以测量并显示电流、电压、以及光功率的数值。
电压源:可以输出0〜8V连续可调的直流电压。为太阳能电池伏安特性测量提供电压。
电压/光功率表:通过“测量转换”按键,可以测量输入“电压输入”接口的电压,或接入“光功率输入”接口的光功率计探头测量到的光功率数值。表头下方的指示灯确定当前的显示状态。通过“电压量程”或“光功率量程”,可以选择适当的显示范围。
电流表:可以测量并显示0〜200mA的电流,通过“电流量程”选择适当的显示范围。
实验内容与步骤
详见实验室操作板
思考题:
太阳能电池作为光电探测器,在一定的光强范围内,探测器的输出响应与光强成正比,这一范围成为探测器的线性响应范围,它是光电探测器的特性之一。试设计一个实验来测量太阳能电池的线性响应。
温度会对太阳能电池带来什么影响?
测量短路电流、开路电压与入射于太阳能电池上光束光强的变化关系,试分析之。
你认为该实验的设计思想、方案哪些值得你肯定,哪些有待完善?