康海燕，馮曉麗

(西安電子科技大學(xué) 微電子學(xué)院，陜西 西安 710054)

培養(yǎng)具有科研思維與創(chuàng)新能力的高精尖科技人才是國家賦予高等院校的重要使命[1-3]。實驗教學(xué)作為培養(yǎng)本科生科研創(chuàng)新思維與能力的重要教學(xué)環(huán)節(jié)之一，在學(xué)生科研思維和實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)中占據(jù)著關(guān)鍵性作用[4-6]。因此，緊跟科學(xué)技術(shù)的發(fā)展積極進(jìn)行實驗教學(xué)改革具有重要意義。

太陽能是一種清潔、安全的可再生新能源，利用太陽能的光伏發(fā)電將在不遠(yuǎn)的將來會占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位[7,8]。太陽能光伏電池作為一種將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的主要設(shè)備，受到社會各界的廣泛關(guān)注[9]。為此，許多高校在基礎(chǔ)物理實驗中已經(jīng)開展了太陽能光伏電池基本特性的測定等相關(guān)實驗內(nèi)容，主要是對電池的伏安特性作初步的驗證與分析，具有新穎性與實用價值[10-12]。然而，這些開設(shè)的太陽能光伏電池相關(guān)實驗內(nèi)容涵蓋的知識點(diǎn)有限，以驗證型實驗為主，缺乏對學(xué)生科研思維與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，對于微電子與集成電路專業(yè)的本科生而言，這些基礎(chǔ)實驗無疑缺乏一定的挑戰(zhàn)性。

為此，筆者設(shè)計了基于科研創(chuàng)新思維培養(yǎng)的太陽能光伏電池特性測定綜合實驗，在基礎(chǔ)實驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究不同的光照強(qiáng)度以及光伏電池的連接方式對太陽能光伏電池的主要性能參數(shù)的影響，并分析討論了實驗現(xiàn)象背后蘊(yùn)含的物理機(jī)理。整個實驗過程學(xué)生需要根據(jù)實驗測試內(nèi)容自行設(shè)計并搭建實驗平臺，在一定程度上培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考與動手實踐的能力。實驗中通過對數(shù)據(jù)的處理、結(jié)果的分析與討論，促進(jìn)了學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)的融會貫通，注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與創(chuàng)新能力，為參與科學(xué)研究活動和研發(fā)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 實驗平臺構(gòu)建

實驗中主要采用太陽能光伏電池測試系統(tǒng)對太陽能光伏電池的相關(guān)特性參數(shù)進(jìn)行測試。該系統(tǒng)采用軟硬件相結(jié)合的方式實現(xiàn)，主要包含太陽光模擬器，高精度數(shù)字源表、信號源以及太陽能特性測試上位機(jī)軟件。

太陽光模擬器的主要作用是提供室內(nèi)的模擬太陽光，為太陽能光伏電池測試光照來源，是太陽能光伏電池測試系統(tǒng)重要組成部分，如圖1所示。實驗中采用氙燈加上光學(xué)系統(tǒng)來模擬AM1.5的太陽光。信號源為太陽光模擬器提供穩(wěn)壓電源，高精度四象限數(shù)字源表，其主要作用是利用加電壓測電流的方法，給負(fù)載提供一定的偏置電壓，測試流過負(fù)載電阻上的電流值。

圖1 太陽光模擬器

太陽能光伏電池測試系統(tǒng)的主要測試原理是在太陽能光伏電池兩端加一個精確可調(diào)的偏置電壓，電池的正負(fù)方向與電池的光生電壓方向相反，從而可以抵消電池所產(chǎn)生的光電壓，達(dá)到改變 PN 結(jié)偏壓的作用。同時，數(shù)字源表測量回路中的電流，因此，能夠較好的測量電池完整的伏安特性曲線。

本實驗中的測試系統(tǒng)是將上述硬件設(shè)備太陽光模擬器、信號源、數(shù)字源表與光伏特性測試上位機(jī)軟件進(jìn)行結(jié)合，搭建軟硬件相結(jié)合的測試系統(tǒng)，不僅能夠測試電池的I-V輸出特性曲線，還能根據(jù)測量的結(jié)果計算出電池的關(guān)鍵性能參數(shù)，例如短路電流、開路電壓、最佳工作功率、填充因子以及轉(zhuǎn)換效率等參數(shù)。

2 實驗內(nèi)容、過程與數(shù)據(jù)分析

2.1 標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下太陽能光伏電池特性

為培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，學(xué)生需要基于測試要求，自行設(shè)計實驗方案，并搭建單個太陽能電池的實驗環(huán)境，進(jìn)行待測樣品的測試。室溫環(huán)境為T=25 ℃，待測電池樣品為單晶硅太陽能光伏電池，面積為10 mm×10 mm。太陽能光伏電池軟件環(huán)境設(shè)置：電壓范圍為0～0.8 V，每間隔0.008 V測量一個數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度的劃定100 mW/cm2。

在測定光伏電池的特性前首先需要標(biāo)定光源，使光源達(dá)到Am1.5、功率為100 mW/cm2。實驗中將此時的光照強(qiáng)度設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)。并在此條件下測定空載時電池的光伏電池的I-V與P-V特性曲線，如圖2所示。

電壓/V

太陽能電池的I-V與P-V特性曲線能夠較為直接地展示電池的工作特性，直接表示標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下太陽能電池的輸出電流和輸出電壓的關(guān)系曲線。此外，通過軟件學(xué)生還可以得到標(biāo)準(zhǔn)光下，電池的其它主要性能參數(shù)，如表1所示：

表1 標(biāo)準(zhǔn)光源下電池的主要性能參數(shù)

2.2 光照強(qiáng)度對太陽能電池特性的影響

實驗中主要研究標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)，1.5倍標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)以及2倍標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下太陽能光伏電池的工作特性。通過改變太陽光模擬器光源與電池之間的距離d來實現(xiàn)光照強(qiáng)度的改變，其中光照強(qiáng)度與距離的平方程成反比例關(guān)系。實驗中將光照強(qiáng)度作為變量，分別采用標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)、1.5倍光強(qiáng)與2.5倍光照強(qiáng)度三個變量，引導(dǎo)學(xué)生探索電池的主要性能參數(shù)短路電流、開路電壓、電池的內(nèi)阻以及最佳工作功率與光照強(qiáng)度的變化關(guān)系，并采用標(biāo)準(zhǔn)作圖Origin軟件對實驗結(jié)果進(jìn)行作圖分析討論。

2.2.1 短路電流隨光照強(qiáng)度的變化關(guān)系

短路電流(ISC)指當(dāng)太陽能電池的正負(fù)極短路時所通過的電流。該參數(shù)一般與電池面積的大小，光照強(qiáng)度等因素有關(guān)。不同光照強(qiáng)度下，短路電流與光照強(qiáng)度的變化曲線如圖3所示。

光強(qiáng)/cd

由上圖可以看出短路電流隨著光照強(qiáng)度的增大而線性增大，這是因為太陽光入射的強(qiáng)度越大，光子能量就越多，從而就能激發(fā)電池產(chǎn)生更多的光生電子和空穴對，短路電流也就越大[13]。

2.2.2 開路電壓與光照強(qiáng)度的變化曲線

開路電壓(Voc)是指在太陽能電池的正負(fù)極兩端不連接負(fù)載，即流通的電流約等于0，此時太陽能電池的正負(fù)極之間的電壓就是它的開路填充電壓。該參數(shù)一般與電池的面積大小無關(guān)。開路電壓與光照強(qiáng)度的變化曲線如圖4所示。

光強(qiáng)/cd

由上圖可知，隨著光照強(qiáng)度的增大，電池的開路電壓緩慢增大。這是由于實驗中選取的光照強(qiáng)度變化不大，因此電池的開路電壓隨著光照強(qiáng)度的改變呈現(xiàn)緩慢增長的趨勢。在無太陽光照射時，電池的開路電壓Voc是零，而且電池的開路電壓一方面與制作太陽能光伏電池的材料有關(guān)，另一方面是與太陽光的入射光強(qiáng)度有關(guān)，并且開路電壓隨入射光強(qiáng)度增大而增大，開路電壓與入射光強(qiáng)度成非線性關(guān)系。

2.2.3 太陽能光伏電池的內(nèi)阻隨光照強(qiáng)度的變化關(guān)系

太陽能電池的內(nèi)阻用Rs表示，它主要由發(fā)射極的電阻和基極的電阻構(gòu)成。實驗中可以根據(jù)電池的短路電流與開路電壓的關(guān)系計算出電池的內(nèi)阻，根據(jù)計算結(jié)果可得電池的內(nèi)阻與光照強(qiáng)度的變化曲線如圖5所示。

光強(qiáng)/cd

由圖可知，隨著光照強(qiáng)度的增加，太陽能光伏電池的內(nèi)阻在逐漸減小，這是由于隨著光照強(qiáng)度的增加，參與導(dǎo)電的電子和空穴逐漸增多，從而降低了電池的內(nèi)阻，由此可以提高電池的轉(zhuǎn)化效率。在實際工藝中，一般希望內(nèi)阻越小越好，因為隨著內(nèi)阻的減小，太陽能電池自身的內(nèi)部消耗也隨之減小，而隨之填充因子FF會有所提高。

2.2.4 最佳工作功率與光照強(qiáng)度的關(guān)系

最佳工作功率指的是太陽能電池在正常的實驗測試條件得到的最大的輸出功率，該參數(shù)受到光照強(qiáng)度的影響較大。最佳工作功率與光照強(qiáng)度的曲線如圖6所示。

光強(qiáng)/cd

由圖6可知，隨著光照強(qiáng)度的增大，電池的最佳工作功率Pm在上升。因此，在太陽能光伏電池的實際應(yīng)用中，在太陽能光伏電池在最佳負(fù)載條件下工作時，可以逐漸增大太陽光的光照強(qiáng)度，從而可以增大電池的最佳工作功率。

2.3 太陽能光伏電池串聯(lián)與并聯(lián)條件下特性測試

在太陽能光伏電池的實際應(yīng)用中，可能用到大面積的太陽能光伏電池樣本，而電池的串并聯(lián)方式必然會使得電池的短路電流、開路電壓、填充因子等主要特性參數(shù)有所改變。為了讓學(xué)生進(jìn)一步探索太陽能光伏電池的特性，在實驗中將進(jìn)行在一定的光照強(qiáng)度下，相同型號的電池在串聯(lián)與并聯(lián)兩種不同的連接方式對太陽能光伏電池的主要特性參數(shù)進(jìn)行測試，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

2.3.1 串聯(lián)條件下太陽能光伏電池特性的測定

搭建電池串聯(lián)的實驗測試環(huán)境，將兩塊規(guī)格相同的太陽能光伏電池進(jìn)行串聯(lián)測試，得到了在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下，兩個電池串聯(lián)的I-V曲線，并與單個太陽能光伏電池樣本的I-V特性曲線進(jìn)行合成對比，如圖7所示。

光強(qiáng)/cd

通過以上I-V曲線圖對比，可以明顯的看出，在串聯(lián)條件下，電池的短路電流基本保持不變，開路電壓在不斷增大，樣本的最大輸出功率明顯有所提高。串聯(lián)電池的開路電壓隨著太陽能光伏電池串聯(lián)個數(shù)的增加而線性增大，串聯(lián)電池的開路電壓是每個電池的開路電壓之和。

2.3.2 并聯(lián)條件下太陽能光伏電池特性的測定

搭建軟硬件測試環(huán)境，將兩塊規(guī)格相同的太陽能光伏電池進(jìn)行并聯(lián)測試。在同等的前提條件下，得到兩塊電池并聯(lián)后樣本的I-V特性曲線，并與單個光伏電池樣本的I-V特性曲線進(jìn)行合成對比，如圖8所示。

電壓/V

通過以上曲線圖對比明顯可知，在并聯(lián)條件下，樣本的最大輸出功率明顯有所提高。

同時將根據(jù)仿真軟件所得到的單個樣本數(shù)據(jù)與串聯(lián)以及并聯(lián)兩種連接方式的對應(yīng)工作點(diǎn)以及填充因子等數(shù)據(jù)列表對比，如表2所示。

表2 不同連接方式下的工作點(diǎn)對比

實驗結(jié)果表明，太陽能光伏電池?zé)o論是串聯(lián)還是并聯(lián)，最佳輸出功率比單個太陽能光伏電池樣本的最大輸出功率大，填充因子明顯增大；隨著串聯(lián)電池個數(shù)的增加，與單個電池樣本相比較，短路電流基本不變，電源的恒流效果更好。

3 實驗教學(xué)效果

太陽能光伏電池特性測試主要是面向微電子科學(xué)與工程以及集成電路與集成系統(tǒng)專業(yè)的學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)綜合創(chuàng)新實驗項目，主要通過軟硬件結(jié)合的方式從不同的角度研究太陽能光伏電池的光電特性，收到了良好的教學(xué)效果。主要體現(xiàn)在：

(1) 實驗研究樣品為硅單晶樣品，研究內(nèi)容由簡入難，基礎(chǔ)實驗內(nèi)容與半導(dǎo)體物理課程所講授的理論知識，例如基本能帶結(jié)構(gòu)、光伏電池的光電轉(zhuǎn)換原理等知識緊密結(jié)合，避免了多晶與非晶硅太陽能電池所固有的復(fù)雜能帶與散射等問題。通過實驗學(xué)生能夠充分掌握太陽能光伏電池的工作機(jī)理，鞏固了學(xué)生理論知識。而且由于太陽能光伏電池與能源開發(fā)緊密相關(guān)，且在通信、航天、交通運(yùn)輸領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，學(xué)生普遍認(rèn)為通過該實驗的學(xué)習(xí)，能夠了解到未來新能源的利用與開發(fā)，增加了學(xué)生的實驗興趣。

(2) 實驗過程中學(xué)生需要根據(jù)測試內(nèi)容自行設(shè)計測試方案并搭建軟硬件平臺。這就要求學(xué)生在開始實驗前查閱太陽能電池測試的相關(guān)資料與文獻(xiàn)，實驗中嘗試與探討測試方案的可行性。這種開放式的實驗方式無形中調(diào)動了學(xué)生的積極性，培養(yǎng)了學(xué)生獨(dú)立思考與動手實踐能力。

(3) 實驗內(nèi)容中研究光照強(qiáng)度以及電池的連接方式對太陽能電池主要特性參數(shù)的影響測試，屬于基礎(chǔ)實驗內(nèi)容的升華，應(yīng)用科學(xué)研究的方式開展實驗，使學(xué)生能夠挖掘?qū)嶒灛F(xiàn)象背后所蘊(yùn)含的本質(zhì)規(guī)律，重要的是通過綜合實驗培養(yǎng)學(xué)生從不同的角度看待問題與分析問題的科研創(chuàng)新思維，為后續(xù)參與科研項目活動奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

基于科研創(chuàng)新思維培養(yǎng)的太陽能光伏電池特性測試綜合實驗與微電子和集成電路專業(yè)知識緊密相關(guān)，應(yīng)用科學(xué)研究的方法開展實驗，深入研究不同的光照強(qiáng)度以及光伏電池的連接方式對太陽能光伏電池的關(guān)鍵特性參數(shù)，例如開路電壓、短路電流、內(nèi)阻、最大輸出功率、最佳負(fù)載電阻以及填充因子等特性的影響，并分析討論了結(jié)果背后蘊(yùn)含的物理機(jī)理。該綜合實驗需要學(xué)生根據(jù)測試的實驗內(nèi)容自行設(shè)計并搭建實驗平臺，在一定程度上能夠培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考與動手實踐的能力。實驗內(nèi)容難度層次遞進(jìn)，通過實驗學(xué)生能夠深刻理解光伏電池的光電轉(zhuǎn)換機(jī)理以及影響光電特性的主要因素，而且通過對實驗數(shù)據(jù)處理、結(jié)果的分析與討論，促進(jìn)了學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)的融會貫通。重要的是通過實驗注重培養(yǎng)學(xué)生分析問題與解決問題的能力，以及從不同角度研究問題的科學(xué)思維與創(chuàng)新能力，為參與科學(xué)研究活動和研發(fā)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。