水浴法測量硅太陽能電池的環境溫度特性

畢江林，王 威

(沈陽工業大學 a.信息科學與工程學院；b.理學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引 言

太陽能是一種具有清潔、巨大、長久、廣泛等多種優點的資源，已成為能源危機下人類首選的新能源之一. 當前，太陽能是公認的而且容易獲取的綠色資源[1]. 提高太陽能電池的效率是開發和利用太陽能的首要任務[2]. 太陽能電池特性的測量與其開發和利用有著緊密的聯系[3]. 目前許多研究主要通過計算機輔助測量、運用硅光電池特性實驗儀以及運用單片機自動測量等實驗手段對太陽能電池的表征參量進行測量和分析. 硅光電池的溫度特性是指開路電壓、短路電流和溫度的關系. 由于溫度直接影響光電池儀器的溫度漂移、測量精度等重要指標，因此顯得尤為重要.

本文從硅太陽能電池參量及效率的影響因素出發，運用水浴法設計了一套簡易的物理實驗測量裝置，對硅太陽能電池的表征參量，如開路電壓、短路電流、填充因子等進行了測量和討論. 水浴法具有使被加熱物體受熱均勻、溫度變化緩慢和易于控制等優點，因此在物理實驗中得到了非常廣泛的運用，如集成電路溫度傳感器特性測量，用電勢差計測量電動勢等實驗[3]. 本實驗裝置采用水浴法，可以使太陽能電池受熱均勻. 在加熱過程中，水溫變化緩慢，易于實驗操作和控制. 此外，水浴法的上限溫度為100 ℃，可防止加熱系統失控時溫度過高對太陽能電池造成損壞，從而獲得安全、穩定的實驗環境.

2 實驗部分

2.1 實驗原理

太陽能電池工作原理是基于光伏效應. 光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產生電位差. 太陽光照在半導體pn結上，形成新的空穴-電子對，在pn結電場的作用下，空穴由n區流向p區，電子由p區流向n區，接通電路后就形成電流.

2.2 太陽能電池的表征參量

1) 開路電壓

在光照條件下，太陽能電池在兩端開路時的輸出電壓值.

2) 短路電流

Isc=Iph=SL.

太陽能電池置于光照條件下，當輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流. 該電流與開路電壓同為測量太陽能電池性能和轉化效率的基本參量.

3) 最大輸出功率

Pm=VmIm.

改變負載電阻值，使輸出電壓和電流的乘積最大時獲得的輸出功率.

4) 填充因子

太陽能電池的最大輸出功率與開路電壓和短路電流乘積之比. 它體現太陽能電池輸出功率隨負載變動的特性，是衡量太陽能電池輸出特性的重要指標.

上面各式中：e為電子電荷；Iph為光電流；Is為反向飽和電流；k為玻耳茲曼常量；T為工作絕對溫度；S為光電流靈敏度；Vm最佳工作電壓；Im最佳工作電流；L為入射光強度.

2.3 實驗裝置設計

太陽能電池環境溫度特性探究裝置主要由實驗光源、太陽能電池板加熱控制系統和測量電路3部分組成.

1)實驗光源

白熾燈的光色和集光性能好，是應用最廣泛的電光源. 并且，白熾燈的光色最接近于太陽光色. 故實驗采用白熾燈作為實驗光源照射電池板. 白熾燈的功率為5 W. 光源與電池板的距離為25 cm.

2)電池板環境溫度控制系統

電池板環境溫度控制系統由溫度傳感器、控制器、溫度計、鐵架臺、磁性攪拌器等部件組成. 實驗裝置如圖1所示. 該裝置可以實現0～80 ℃

(a)主視圖

(b)俯視圖 圖1 實驗裝置

的測量環境. 加熱反饋控制系統包括溫度傳感器、控制器和加熱管. 通過控制器設定加熱溫度，當水溫達到預設溫度時，控制器使加熱管停止工作. 該反饋控制系統可達到粗略控制水溫和安全實驗的目的. 在加熱過程中，磁性攪拌器持續旋轉，攪拌水箱中的水，以保證溫度均勻. 此外，由于水加熱時，水溫有緩沖，因此，在水箱中插入溫度計(精度為0.02 ℃)實時監測水溫的變化. 調節控制器上的加熱功率控制旋鈕來減小水溫緩沖作用，從而獲得精確穩定的水溫. 根據熱力學第二定律，當水溫變化時，水箱和電池板將進行熱傳導. 由于水溫對電池板的影響遠大于室內環境溫度對電池板的影響. 因此，水箱內水溫可視為電池板的環境溫度.

3)測量電路

綜合考慮成本和實驗的便捷，實驗電路采用10 kΩ的定值電阻、最大阻值為9 999.99 Ω的變阻箱和單刀雙擲開關實現太陽能電池負載阻值0～20 kΩ的變化. 通過另一單刀雙擲開關，可以簡單地實現開路電壓和短路電流的測量. 實驗電路圖如圖2所示.

圖2 實驗電路圖

2.4 實驗過程

1) 組建裝置，將水箱裝滿冰水混合物，此時硅太陽能電池的環境溫度為0 ℃.

2) 通過溫度計密切觀察水溫的變化. 水溫每升高10 ℃，等待片刻，待電池板充分受熱后，測定各參量. 繼續加熱，直至水溫達到80 ℃.

3) 快速攪拌，使水箱中的水溫下降. 水溫每下降10 ℃時，等待片刻，待電池板充分散熱后，測定各參量. 繼續散熱，直至水溫達到0 ℃.

3 數據處理分析

3.1 環境溫度對開路電壓和短路電流的影響

實驗中，分別測定升溫和降溫過程中，相同環境溫度下的開路電壓、短路電流的平均值作為最終測量值，得到開路電壓、短路電流隨環境溫度的變化關系曲線，如圖3所示.

圖3 開路電壓、短路電流與環境溫度的變化曲線

由圖3可知，開路電壓隨環境溫度的升高而降低，而短路電流隨環境溫度的升高而增大. 溫度每升高10 ℃，開路電壓下降0.176～0.230 V；短路電流上升8～12 μA. 運用最小二乘法擬合，可以得到開路電壓和環境溫度的關系式：U=-0.199t+4.942；短路電流和環境溫度的關系式：I=10.110t+118.901. 由以上分析可以看出，開路電壓和短路電流與環境溫度都滿足線性關系[6].

硅太陽能電池伏安特性曲線常被用來研究硅太陽能電池電阻的變化規律，涉及太陽能運用中系統集成和電路穩定性等多方面因素. 圖4是不同溫度下，硅太陽能電池的伏安特性曲線.

圖4 硅太陽能電池的伏安特性曲線

由圖4可知，隨環境溫度的升高，短路電流增大，而開路電壓減小.

3.2 環境溫度對最大輸出功率的影響

逐漸增大太陽能電池的負載電阻值. 記錄實驗數據顯示，環境溫度每升高10 ℃，最大輸出功率減小5.22～38.77 μW，最大輸出功率對應的負載電阻減小19 250～24 750 Ω. 不同環境溫度下，負載電阻和輸出功率的關系曲線如圖5所示.

圖5 不同溫度下負載和功率的變化曲線

由圖5可以看到，隨著環境溫度升高，最大輸出功率逐漸減小，最大輸出功率對應的負載阻值也減小.

3.3 溫度對填充因子的影響

圖6表示環境溫度t與填充因子FF的關系曲線. 從圖中可以看到填充因子隨環境溫度的升高而明顯降低. 這表明硅太陽能電池對光的利用率隨溫度的升高而降低.

圖6 填充因子與環境溫度變化曲線

從理論上分析，開路電壓、短路電流和填充因子都是由于溫度的升高使半導體材料的特性發生變化，電子和空穴的擴散和漂移加劇，尤其是遷移率隨溫度線性增長，使得半導體中的復合加快，載流子特征壽命降低，從而在pn結兩端收集到的載流子數量減少[7]. 因此，隨溫度的升高，開路電壓和填充因子降低，而短路電流升高，和實驗結果一致.

4 結束語

本文采用水浴法研究環境溫度對硅太陽能電池的開路電壓、短路電流及填充因子等表征參量的影響. 研究結果表明，開路電壓、短路電流與環境溫度變化呈線性關系. 環境溫度較低時，有助于硅光電池獲得更大的輸出功率和填充因子. 文獻[8]運用半導體制冷原理，對硅太陽能電池的溫度特性進行了研究. 與文獻[8]相比，本文的實驗裝置簡單，操作方便，通過溫控系統也可以獲得穩定的溫度，得到的實驗規律正確，結果可靠.

參考文獻：

[1] 王政，郭山河，魏東東. 基于太陽能電池和超級電容的充電系統[J]. 物理實驗，2012，32(10)：42-44.

[2] 王殿元，王慶凱，彭丹,等. 硅太陽能電池光譜響應曲線測定研究性實驗[J]. 物理實驗，2007，27(9)：8-10.

[3] 魏宇星，張健男，劉平洋,等. 太陽能電池特性的自動測量[J]. 物理與工程，2011，21(6)：25-28.

[4] 孫維民，宋大毅，姜源，等. 物理實驗教程[M]. 北京：科學出版社，2011：112-214，224-227.

[5] 石星軍. 大學物理實驗[M]. 北京：國防工業出版社，2006：203-207.

[6] 張瑋，楊景發，閆其庚. 硅光電池特性的實驗研究[J]. 實驗技術與管理，2009，26(9)：42-46.

[7] 秦紅，沈輝，張仁元，等. 溫度對太陽能電池效率的影響及改善方法分析[A]. 第八屆光伏論文集[C]. 20.

[8] 楊景發，王娜，國唯唯，等. SI太陽能電池溫度特性測量裝置的設計[J]. 中國儀器儀表，2012，(7)：54-57.