“光伏材料與器件檢測(cè)技術(shù)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

孫盼盼+++戴雷+++黃妞+++孫小華

【摘要】作為新能源材料與器件專業(yè)的一門專業(yè)拓展課程，該課程致力于培養(yǎng)學(xué)生光伏材料與器件方面的專業(yè)操作技能，畢業(yè)后具備在該領(lǐng)域技術(shù)開(kāi)發(fā)和科學(xué)研究領(lǐng)域工作的能力。本文結(jié)合該專業(yè)課程開(kāi)設(shè)情況，對(duì)光伏材料與器件檢測(cè)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】新能源材料與器件 光伏材料與器件 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）02-0237-01

一、引言

2014年，在外部有利政策和勢(shì)場(chǎng)需求的驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)的光伏市場(chǎng)迅速發(fā)展，光伏制造產(chǎn)能位居全球第一，終端應(yīng)用市場(chǎng)也步入了全球第二。產(chǎn)業(yè)的發(fā)展形勢(shì)將直接影響人才的需求動(dòng)態(tài)，為了增強(qiáng)人才培養(yǎng)的市場(chǎng)針對(duì)性，我校開(kāi)設(shè)了《光伏材料與器件檢測(cè)技術(shù)》課程[2-3]，培養(yǎng)學(xué)生光伏方面的專業(yè)操作技能。本文對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容由材料到器件，由基礎(chǔ)到專業(yè)，下面對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行具體闡述：

二、光伏材料性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.太陽(yáng)光輻射光譜檢測(cè)

由于太陽(yáng)輻射到達(dá)地球表面必須要經(jīng)過(guò)大氣層，大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、反射和散射導(dǎo)致不同地區(qū)、不同季節(jié)以及一天中不同時(shí)間地面所接收到的太陽(yáng)輻射光譜有很大差異[1]。大氣對(duì)地球表面接收太陽(yáng)光的影響程度用大氣質(zhì)量（AM）描述，國(guó)際上選取大氣質(zhì)量AM1.5作為太陽(yáng)能電池效率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)，其輻照功率為1kW/m2。

本實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，要求同學(xué)們通過(guò)用美國(guó)Ocean Optics公司的USB4000型光纖光譜儀測(cè)試太陽(yáng)光光譜，認(rèn)識(shí)太陽(yáng)光能量的不穩(wěn)定性以及設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)光源條件的必要性。

2.半導(dǎo)體材料光吸收性質(zhì)測(cè)試

太陽(yáng)能電池對(duì)光的吸收效率直接影響其光電轉(zhuǎn)換效率，而光吸收效率取決于材料對(duì)光的吸收能力，所以光伏材料的選擇至關(guān)重要。禁帶寬度是決定半導(dǎo)體性質(zhì)的重要參數(shù)，根據(jù)半導(dǎo)體帶間躍遷的基本理論，只有光子能量大于或等于半導(dǎo)體的禁帶寬度才會(huì)存在光吸收，而且光吸收系數(shù)與光子能量之間存在一定的關(guān)系。

本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法：（1）測(cè)試不同材料的吸收光譜；（2）測(cè)試同一材料不同厚度情況下的吸收光譜；（3）繪制吸收光譜曲線，探究影響材料光吸收能力的因素。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)們掌握用雙光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試半導(dǎo)體材料吸收光譜的方法，并獲得太陽(yáng)能電池材料的選擇依據(jù)。

三、光伏器件性能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.太陽(yáng)能電池基本特性測(cè)試

太陽(yáng)能電池的特性由伏安特性曲線（I-U曲線）來(lái)表示，表征一定光照和環(huán)境溫度為300K條件下，電流和電壓的函數(shù)關(guān)系。在太陽(yáng)能電池的正負(fù)極兩端，連接一個(gè)可變電阻R，在一定的光照和溫度下，改變電阻值，使其由零（短路）變到無(wú)窮大（開(kāi)路），同時(shí)測(cè)量通過(guò)電阻的電流和電阻兩端的電壓 ，即可得到太陽(yáng)能電池的I-U曲線。I-U曲線在電壓軸上的截距稱為開(kāi)路電壓（Uoc），在電流軸上的截距稱為短路電流（Isc）。短路電流Isc和開(kāi)路電壓Uoc與入射光強(qiáng)相關(guān)，一般地，短路電流Isc隨光強(qiáng)呈線性增長(zhǎng)，而開(kāi)路電壓Uoc隨光強(qiáng)呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，并逐漸達(dá)到最大值。

本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）測(cè)試不同負(fù)載下太陽(yáng)能電池的I-U曲線，求出在此光照條件下太陽(yáng)能電池的短路電流Isc、開(kāi)路電壓Uoc以及最大輸出功率Pm、填充因子FF=Pmax/IscUoc；（2）測(cè)試不同光強(qiáng)下太陽(yáng)能電池的短路電流和開(kāi)路電壓，并繪制曲線；（3）測(cè)試太陽(yáng)能電池在不同入射角下的短路電流和開(kāi)路電壓，并繪制曲線。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)要求同學(xué)掌握太陽(yáng)能電池電流-電壓特性并對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)，以及短路電流、開(kāi)路電壓隨光照強(qiáng)度和入射角度的變化特性。

3.太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)試

太陽(yáng)能電池的量子效率QE，或稱光譜響應(yīng)，是太陽(yáng)能電池在不同波長(zhǎng)光照條件下的光電轉(zhuǎn)換特性，具體的是指太陽(yáng)能電池收集到的電子-空穴對(duì)數(shù)目與入射到太陽(yáng)能電池表面的光子數(shù)目之比。太陽(yáng)光強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化而不同，因此，量子效率反映了太陽(yáng)能電池對(duì)入射到表面的各個(gè)波長(zhǎng)的光的響應(yīng)情況，因此也是衡量光伏器件性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

本實(shí)驗(yàn)為演示型實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）認(rèn)識(shí)太陽(yáng)能電池量子效率測(cè)試系統(tǒng)；（2）測(cè)試太陽(yáng)能電池的量子效率；（3）繪制太陽(yáng)能電池量子效率曲線，通過(guò)曲線評(píng)價(jià)太陽(yáng)能電池光響應(yīng)特性。

四、總結(jié)

結(jié)合本校新能源材料與器件專業(yè)基礎(chǔ)，對(duì)《光伏材料與器件檢測(cè)技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)與該專業(yè)理論基礎(chǔ)緊密契合，可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀能動(dòng)性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，要求學(xué)生掌握光伏材料與器件性能的基本檢測(cè)手段和評(píng)價(jià)方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、專業(yè)實(shí)驗(yàn)操作技能和專業(yè)研究素質(zhì)，使學(xué)生步入社會(huì)后，具備從事該領(lǐng)域工作的基本能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]于勝軍.太陽(yáng)能光伏器件技術(shù)[M].電子科技大學(xué)出版社，2011.

[2]曾惠丹，楊云霞等.新能源材料與器件專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2012， 31（10）：109-111.

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