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kjwu

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[交流] Charaterization of Solar Cell——呵呵，对初学者应该有用的

太阳能电池测定
(Charaterization of Solar Cell)
一,目的:
太阳能电池是未来很重要在生能源,本实验借由量测太阳能电池的效率,让学生了解对太阳能电池特性有初步的了解.
二,原理:
当光照在半导体上,会产生电子电洞对,然而过一阵子,这些电子与电洞很快便会重新结合在一起(recombination),这样的电子与电洞无法作为电池.但是当半导体p-n接面形成,接面会有一个内建电位变化.当光照在接面时,这个电场便可以分离电子电洞走不同方向,如下图所示,而产生电流.这便是太阳能电池的基本原理.
图一,太阳能电池之原理示意图
太阳能电池的效率量测方面,是了解太阳能电池的第一步.但是,由於太阳光会不断的变动,必须有一个国际标准.目前国际所常用之基本光源量测标准很多,较常用的例如ASTM G-159(Air Mass 1.5).但是,实验上,要取得标准的光源很不容易,但有一些简单的方式,例如利用模拟太阳光谱的光源,像是Xeon Short Arc Lamp,Long Arc之pulse Xe光,W-卤素灯及复金属灯等,其光谱都类似於太阳能光谱,作为测定光源.本实验中所使用的光源即为复金属灯,利用Keithley2410电源电表(source meter)量测光照下与无光照下的电流-电压特性曲线.从太阳能电池的电性量测曲线图,我们可以得到许多重要量测参数.
图二,太阳能电池之电压-电流特性
1.短路电流ISC (short circuit current)
短路电流为太阳能电池在负载为零时输出的电流,此时的输出电压V=0,等於太阳能电池光照后产生的光电流.图中,I-V曲线与Y轴的交点,其电流值之绝对值即为ISC.
2.开路电压VOC (open circuit current)
当太阳能电池开放时,所量到的电压.图中,I-V曲线与X轴的交点,其电压值即为VOC.
3.理想因子(FF, fill-factor)
理想因子的定义为太阳电池在最大功率输出时,输出功率值Pout与开路电压VOC和短路电流ISC乘积之百分比.图二中灰色部分面积相当於最大输出电功率,即Vmax Imax,而曲线因子可以表示为FF= ImVm / ISCVOC

4.转换效率η (conversion efficiency)
能量转换效率的定义为太阳能电池在有效面积S(cm2)下,其最大输出功率Pout与入射光功率Pin的比值,可表示成η= FF*ISCVOC/Pin，Pin是入射功率
本实验中,我们将所使用的复金属灯源先利用Solar World公司所生产的Calibrated Cell ( 1 sun (AM1.5, 100mW/cm2)下, 245ma,0.5 volt )作校正,将光源照度校正成国际标准值的1/3,(受限於电表量测电流的限制(100mA),并减少发热),则太阳能电池转换效率计算部分修正为

三,仪器
如图三,微调探针台上的探针接触基板上的电极,并以Keithley 2410电表分别量测光照及无光照下之二极体特性,以计算其转换效率.
图三 I-V Curve测量系统架构图
本实验以KEITHLEY的电表作为量测电性的仪器,并以Visual Basic程式作自动化控制,将探针上收集到的电性,经由自动化控制而在电脑上显示出来.光源是以操作电压220V,电流0.82A,频率60Hz及功率150W的复金属灯作为照射光源,由於复金属灯的照射光谱相似於太阳能光谱,故在此被用来比拟太阳能光源,并以Solar World公司的Calibrated Cell ( 1 sun=245ma,0.5 volt )作校正,将光源强度校正成国际标准值的1/3(受限於电表可读电流值),用以量测所制矽奈米结构太阳能电池,在光照下与无光照下,效率变化的情形.图四为量测电流-电压曲线特性的系统照片.
图四,电压-电流曲线特性量测系统
四,实验步骤与讨论
开启Keithley 2410,连接到校正的太阳能电池.
运用校正过的太阳能电池调整光源高度校正成1/3照度.
开启电脑程式(Super IV curve),将电池改成未知的市售太阳电池,量未照光的IV(-5~5V)曲线.
同步骤3,但量测照光的IV曲线.
绘出功率P=IV对V的曲线,找出最大值决定Vmax及Imax.
试求出开路电压VOC,短路电流ISC,最大输出电压Vmax与最大输出电流Imax,并算出太阳能电池之能量转换效率η.
计算若要提供300W的用电,至少需多少面积的该太阳能电池.