硅太阳能电池负载特性及Origin软件处理数据的应用研究

程文德，张启义，孙宝光

(重庆科技学院，重庆 401331)

目前，能源短缺是世界各国经济发展的普遍问题。煤、石油和天然气按现在的开采速度，不到几十年就会消耗殆尽，必须寻找新的能源。太阳能因无污染，可循环利用，取之不尽，用之不竭等优点，必将成为新世纪最受欢迎的能源之一［1-2］。硅太阳能电池是目前发展最成熟，转换效率最高的太阳能电池，可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［3-5］。如何提高太阳能电池的实际利用效率一直是人们关注的重点，影响太阳能电池输出功率的因素很多，其中最主要因素的是光照强度［6-7］和负载性质两个方面。为了使学生更好理解太阳能电池的原理和性质，设计了多晶硅薄膜电池在不同距离下输出功率随负载电阻变化之间关系的实验研究，取得了良好的教学效果。

1 实验内容

1．1 实验器材

硅光太阳能电池板(北京中科金宇科技有限公司生产，30 cm ×25 cm)、卤素灯(PHILIPS，，QVF133型，飞利浦灯具(上海)有限公司生产)、数字式万用表(DT-9205A型，广州恒惟电子厂生产)、电阻(ZX21型多盘十进电阻器，金坛市儒林电子仪器厂生产)、直尺、导线若干。

1．2 太阳能电池输出功率随负载电阻变化规律的测量

固定太阳能电池与卤素灯之间距离为50 cm，70 cm，90 cm，不同距离下分别在电池板两端接入负载电阻，用万用表测量不同负载阻值下电路的电流和电压。

1．3 太阳能电池短路电流和开路电压的测量

固定太阳能电池与卤素灯之间距离为50 cm，70 cm，90 cm，用万用表分别测量不同距离时电池的短路电流和开路电压。

2 实验结果和讨论

2．1 不同距离下太阳能电池的短路电流和开路电压

表1为太阳能电池与卤素灯之间距离为50 cm，70 cm，90 cm时电池的短路电流和开路电压。

表1 不同距离下太阳能电池的电路电流和开路电压

由表1可计算出电池的最大功率分别为:50cm时最大功率 Pmax=IscVoc=43．5 ×10－3×17．5=0．761w ，70 cm 时最大功率 Pmax=IscVoc=27．4 ×10－3×16．10=0．441w ，90cm 时最大功率Pmax=IscVoc=19．5 × 10－3× 15．10=0．294w 。可以看出距离越大，最大功率越小。

2．2 不同距离下太阳能电池板输出功率随负载电阻变化规律

实验中，固定电池板与卤素灯之间距离，负载电阻 R 在0．1 K Ω～10 K Ω范围内变化，测得每个电阻对应的输出电流和电压值，通过公式P=UI计算电池的输出功率，数据如表2所示。输出功率随外接负载变化的R-P曲线用origin处理如图1所示。太阳能电池的伏安特性曲线用origin处理如图2所示。由图1可以看出，尽管电池板与卤素灯之间距离不同，但是输出功率变化趋势一样，随着负载电阻的增大，输出功率随着负载增大先增大后减小，距离越近，最大输出功率越大。

表2 不同距离下太阳能电池板输出功率随负载变化测量数据

由图2可以看出，太阳能电池伏安特性为非线性。在图中分别取 A点(50 cm)、B点(70 cm)、C 点(90 cm)，对应的坐标分别为 A(12．38，36．1)、B(11．58，20．8)、C(10．04，15．4)，此时电池的功率输出为最大，它对应的最大功率为Pm=ImVm，式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。将Isc与Voc的乘积与最大功率之比定义为填充因子 FF［8］，则

FF为太阳能电池的重要表征参数，FF愈大则输出功率愈高。由图2得到的参数分别计算得50 cm时电池填充因子为时电池填充因子为0．525，可见随距离增加，填充因子减小，输出功率愈小。

图1 不同距离下太阳能电池板输出功率随负载变化曲线

图2 不同距离下太阳能电池板的伏安特性曲线

3 结 论

测量并分析了不同距离下多晶硅薄膜电池的负载输出伏安特性和输出功率特性，计算了电池的填充因子。学生通过测量硅太阳能电池基本特性曲线的学习，认识了太阳能开发的重要性，激发了学习研究兴趣，为进一步做创新实验奠定了基础。

［1］ 周善元．取之不尽，用之不竭的洁净能源［J］．能源研究与管理，2000(4):1-2．

［2］ 张维清，程亮．太阳能电池发展现状与展望［J］．科技创新与生产力，2011，211:26-28．

［3］ 王志军，李守春，王连元，等．硅太阳能电池特性的实验研究［J］．大学物理实验，2013，26(6):27-30．

［4］ 张天民，黑洁．太阳能电池负载特性的实验研究［J］．大学物理实验，2013，26(6):55-57．

［5］ Geotzberger A，Hebling C，Schock H W，et al．Photovoltaic Materials，History，Status and Outlook［J］．Mater．Sci．Eng．R．2003，40:1-46．

［6］ 郭书霞．常用光源对太阳能电池性能影响［J］．焦作教育学院学报，1999，22(2):41-43．

［7］ 屠佳佳，梁国伟．光照入射角对太阳能电池输出功率的影响［J］．中国计量学院学报，2012，23(2):6-12．

［8］ 魏晋云．太阳电池填充因子与并联电阻的指数关系［J］．云南师范大学学报:自然科学版，2013(5):38-40．