太阳能电池性能参数测试方法及研究
摘 要随着环境污染问题的日益严重，人类不断探索研究新型清洁能源，而太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的清洁能源，被广泛的用于人类的生产生活。如何选择高效率的太阳能电池将太阳能转化为电能来解决人类所面临的能源短缺问题已成为全世界科学家共同研究的课题。本文主要对平面结太阳能电池和径向结太阳能电池的开路电压，短路电流，串联电阻，并联电阻，峰值电压，峰值功率，填充因子，转换效率，量子效率等特性参数进行研究，采用PV measurements的QEX10平台和Oriel I-V Test Station对平面结和径向结太阳能电池的开路电压，短路电流，填充因子，转换效率，量子效率等性能进行测试，给出相应的比较结果，并对两种不同的太阳能电池的特性进行研究分析。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 太阳能电池的发展背景及分类 1
1.2 课题的研究的背景和意义 2
1.3 论文的主要工作 2
第二章 太阳能电池的工作原理及性能参数 3
2.1 太阳能电池的工作原理 3
2.1.1 平面结太阳能电池 4
2.1.2 径向结太阳能电池 5
2.2 太阳能电池的基本性能参数 5
第三章 太阳能电池性能测试方法及结果分析 8
3.1 太阳能电池性能测试方法 8
3.2 太阳能电池性能测试结果分析 8
3.3 小结 13
第四章 总结与展望 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪 论
1.1 太阳能电池的发展背景及分类
随着化石能源的逐步消耗以及化石能源开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题日益严重。图11可以直观的显示出近十年来化石能源的消耗：
图11 近十年来全国耗能总量
由此可见，开发和利用新型的可持续发展的能源已经越来越迫切。而太阳能作为一种清洁的，可持续使用的能源被人们所发掘。相比化石燃料，太阳能取之不尽，用之不竭，是人类可以利用的存储量最丰富的能源。
太阳能电池种类多种多样，如图12所示，太阳能电池
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敏化电池等。而在所有的太阳能电池中，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。20世纪90年代，由于政府投资的缘故，太阳能产业更是不断发展壮大，前途可谓一片光明。
图12 太阳能电池分类
1.2 课题的研究的背景和意义
太阳能取之不尽，用之不竭，据估算，如果在地球表面积的千分之一上安装光电转换效率为10%的太阳能电池，所产生的能量就完全可以满足人类目前对能源的需求。所以，对平面结太阳能电池和径向结太阳能电池的性能进行测试研究，选择高效率的太阳能电池是本次课题研究的重要意义。
1.3 论文的主要工作
第1章：简单介绍太阳能电池的背景以及本课题研究的意义，并对本论文的工作进行计划安排。
第2章：研究了太阳能电池的工作原理和性能参数，其中包括：短路电流、开路电压、填充因子、转换效率、量子效率等。并对本课题测试用到的平面结电池和径向结电池结构做了介绍。
第3章：详细介绍太阳能电池性能测试的方法，并介绍太阳能电池性能测试所采用的设备仪器以及对测试结果进行了分析。
第4章：对本课题进行分析总结，以及对未来太阳能电池发展前景的展望。
第二章 太阳能电池的工作原理及性能参数
本章主要对太阳能电池的工作原理及性能参数进行介绍分析，其中主要包括关键的光伏效应和太阳能电池的短路电流、开路电压、量子效率等。
2.1 太阳能电池的工作原理
目前，人们对太阳能的利用主要包括光热转化技术和光电转化技术。其中，光电转化技术是基于“光生伏特效应”原理。
光生伏特效应是太阳能电池能将太阳辐射能转换为电能的原理所在，而光生伏特效应是半导体PN结的众多特性之一。
所谓PN结，就是由n型半导体和p型半导体紧密接触而形成的界面结构。当p型硅和n型硅结合在一起时，两者之间的载流子浓度梯度差会使p型硅中的空穴向n型半导体扩散，同时n型硅中的电子向p型半导体扩散，而掺杂离子还停留在原来的地方。这导致在p区一侧出现负电荷区，在n区一侧出现正电荷区，这个区域称为空间电荷区。在这个区域内产生了从n区指向p区的内建电场。内建电场会导致电子流向n型半导体而空穴流向p型半导体（称为载流子的“漂移”运动）。最终扩散运动和漂移运动达到动态平衡，一般这种情况为热平衡的PN结，如图21所示。
图21 PN结的形成过程
（a）p型半导体和n型半导体紧密接触
（b）PN结中载流子的扩散运动
（c）内建电场的形成使扩散运动和漂移运动达到热平衡状态
那太阳能又是怎么把光能转换成为电能的呢？这就涉及到PN结的光生伏特效应。在大多数情况下，物质吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级但是受激电子很快会回到基态。在太阳能电池的光伏效应中，内部的非对称结构PN结形成的内建电场会使电子在返回基态（也称电子空穴对的复合）之前被输运到外部电路，受激电子得到的能量形成了电势差，驱动外部电路中的负载，只要太阳光照不断，一直有受激电子出来，负载上就会一直有电流通过。如图22所示。
图22 以PN结为基础的太阳能电池原理图
2.1.1 平面结太阳能电池
传统平面PIN结构的薄膜电池在一块玻璃片上，有透明导电层（AZO），P层（P型参杂），I层（本征层），N层（N型参杂），透明导电层（ITO），如图23测试时就是将仪器的两个探头分别放在AZO层和ITO层对它进行开路电压和短路电流的测试。
图23 传统的平面PIN薄膜电池
最下方透明导电氧化层与最上方透明导电氧化层分别为测试时探头放置的位置，中间为P层，I层，N层，也就是一个PN结。
2.1.2 径向结太阳能电池
径向结太阳能电池可以在很大程度上减小材料消耗，提高“陷光效应”和载流子收集，从而从各方面提高电池效率并降低成本，如图24所示。一方面，由于纳米线本身就具有的“丛林状”结构，径向结电池在陷光方面具有明显的优势；另一方面，径向结结构也使入射光的吸收方向和载流子收集方向在空间上正交化从而有效减少了载流子的复合。
图24 径向结电池
径向结电池是由一个个点长成的线状结构，能有效的吸收太阳光，层级分布与平面结相同。
2.2 太阳能电池的基本性能参数
太阳能电池的主要性能参数，包括：开路电压、短路电流、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子、转换效率和量子效率等。
1.开路电压(Uoc)：太阳能电池的正负极不接负载、如图25所示，直接接在万用表红黑表笔上，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(v)。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 太阳能电池的发展背景及分类 1
1.2 课题的研究的背景和意义 2
1.3 论文的主要工作 2
第二章 太阳能电池的工作原理及性能参数 3
2.1 太阳能电池的工作原理 3
2.1.1 平面结太阳能电池 4
2.1.2 径向结太阳能电池 5
2.2 太阳能电池的基本性能参数 5
第三章 太阳能电池性能测试方法及结果分析 8
3.1 太阳能电池性能测试方法 8
3.2 太阳能电池性能测试结果分析 8
3.3 小结 13
第四章 总结与展望 14
致 谢 15
参考文献 16
第一章 绪 论
1.1 太阳能电池的发展背景及分类
随着化石能源的逐步消耗以及化石能源开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题日益严重。图11可以直观的显示出近十年来化石能源的消耗：
图11 近十年来全国耗能总量
由此可见，开发和利用新型的可持续发展的能源已经越来越迫切。而太阳能作为一种清洁的，可持续使用的能源被人们所发掘。相比化石燃料，太阳能取之不尽，用之不竭，是人类可以利用的存储量最丰富的能源。
太阳能电池种类多种多样，如图12所示，太阳能电池
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
按材料分一般主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、化合物电池、有机电池和染料敏化电池等。而在所有的太阳能电池中，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。20世纪90年代，由于政府投资的缘故，太阳能产业更是不断发展壮大，前途可谓一片光明。
图12 太阳能电池分类
1.2 课题的研究的背景和意义
太阳能取之不尽，用之不竭，据估算，如果在地球表面积的千分之一上安装光电转换效率为10%的太阳能电池，所产生的能量就完全可以满足人类目前对能源的需求。所以，对平面结太阳能电池和径向结太阳能电池的性能进行测试研究，选择高效率的太阳能电池是本次课题研究的重要意义。
1.3 论文的主要工作
第1章：简单介绍太阳能电池的背景以及本课题研究的意义，并对本论文的工作进行计划安排。
第2章：研究了太阳能电池的工作原理和性能参数，其中包括：短路电流、开路电压、填充因子、转换效率、量子效率等。并对本课题测试用到的平面结电池和径向结电池结构做了介绍。
第3章：详细介绍太阳能电池性能测试的方法，并介绍太阳能电池性能测试所采用的设备仪器以及对测试结果进行了分析。
第4章：对本课题进行分析总结，以及对未来太阳能电池发展前景的展望。
第二章 太阳能电池的工作原理及性能参数
本章主要对太阳能电池的工作原理及性能参数进行介绍分析，其中主要包括关键的光伏效应和太阳能电池的短路电流、开路电压、量子效率等。
2.1 太阳能电池的工作原理
目前，人们对太阳能的利用主要包括光热转化技术和光电转化技术。其中，光电转化技术是基于“光生伏特效应”原理。
光生伏特效应是太阳能电池能将太阳辐射能转换为电能的原理所在，而光生伏特效应是半导体PN结的众多特性之一。
所谓PN结，就是由n型半导体和p型半导体紧密接触而形成的界面结构。当p型硅和n型硅结合在一起时，两者之间的载流子浓度梯度差会使p型硅中的空穴向n型半导体扩散，同时n型硅中的电子向p型半导体扩散，而掺杂离子还停留在原来的地方。这导致在p区一侧出现负电荷区，在n区一侧出现正电荷区，这个区域称为空间电荷区。在这个区域内产生了从n区指向p区的内建电场。内建电场会导致电子流向n型半导体而空穴流向p型半导体（称为载流子的“漂移”运动）。最终扩散运动和漂移运动达到动态平衡，一般这种情况为热平衡的PN结，如图21所示。
图21 PN结的形成过程
（a）p型半导体和n型半导体紧密接触
（b）PN结中载流子的扩散运动
（c）内建电场的形成使扩散运动和漂移运动达到热平衡状态
那太阳能又是怎么把光能转换成为电能的呢？这就涉及到PN结的光生伏特效应。在大多数情况下，物质吸收入射光后，光子的能量使电子跃迁到高能级但是受激电子很快会回到基态。在太阳能电池的光伏效应中，内部的非对称结构PN结形成的内建电场会使电子在返回基态（也称电子空穴对的复合）之前被输运到外部电路，受激电子得到的能量形成了电势差，驱动外部电路中的负载，只要太阳光照不断，一直有受激电子出来，负载上就会一直有电流通过。如图22所示。
图22 以PN结为基础的太阳能电池原理图
2.1.1 平面结太阳能电池
传统平面PIN结构的薄膜电池在一块玻璃片上，有透明导电层（AZO），P层（P型参杂），I层（本征层），N层（N型参杂），透明导电层（ITO），如图23测试时就是将仪器的两个探头分别放在AZO层和ITO层对它进行开路电压和短路电流的测试。
图23 传统的平面PIN薄膜电池
最下方透明导电氧化层与最上方透明导电氧化层分别为测试时探头放置的位置，中间为P层，I层，N层，也就是一个PN结。
2.1.2 径向结太阳能电池
径向结太阳能电池可以在很大程度上减小材料消耗，提高“陷光效应”和载流子收集，从而从各方面提高电池效率并降低成本，如图24所示。一方面，由于纳米线本身就具有的“丛林状”结构，径向结电池在陷光方面具有明显的优势；另一方面，径向结结构也使入射光的吸收方向和载流子收集方向在空间上正交化从而有效减少了载流子的复合。
图24 径向结电池
径向结电池是由一个个点长成的线状结构，能有效的吸收太阳光，层级分布与平面结相同。
2.2 太阳能电池的基本性能参数
太阳能电池的主要性能参数，包括：开路电压、短路电流、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子、转换效率和量子效率等。
1.开路电压(Uoc)：太阳能电池的正负极不接负载、如图25所示，直接接在万用表红黑表笔上，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(v)。
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