任务三 光伏组件伏安特性测试技术
一、光生伏打效应与太阳能电池
1.n型半导体
在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的五价元素磷（P）之后，磷原子由于数量较少，不能改变本征硅的共价键结构，而是和本征硅一起组成共价键，如图2-3-1所示。
图2-3-1 共价键图
在n型半导体中，自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。在n型半导体中，由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度，因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度，远远高于少子空穴的浓度，也称电子型半导体。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。
2.p型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等，形成了p型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。
3.载流子的运动
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向一致。
扩散运动：由于载流子浓度的差异而形成浓度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运动。
当光照射到半导体材料时，拥有比禁带宽（Eg）还小的能量（Eph）的光子与半导体间的相互作用极弱，于是顺利地穿透半导体，就好像半导体是透明的一样。然而，能量比带隙能量大的光子（Eph>Eg）会与形成共价键的电子相作用，用它们自身所具有的能量去破坏共价键，形成可以自由流动的电子-空穴对。ν是光的频率，h是普朗克常量（6.626×10-34J·s），如图2-3-2所示。
图2-3-2 光子能量分布图
光子的能量越高被转换吸收的位置就越接近半导体表面。较低能量的光子则在距半导体表面较深处被转换吸收，如图2-3-3所示。
图2-3-3 光子能量交换图
当光源被关掉时，系统势必会回到一个平衡状态，因为光照而产生的电子-空穴对势必消失，在没有外界能量来源的情况下，电子和空穴会无规则运动，直到它们相遇并复合。任何表面或者内部的缺陷、杂质，都会促进复合的产生。
材料的载流子寿命，可以定义为电子-空穴对从产生到复合的平均存在时间。对于硅，典型的载流子寿命约是1μs。类似的，载流子扩散长度就是载流子从产生到复合所能移动的平均距离。对于硅而言，扩散长度一般是100～300μm。这两个参量是太阳能电池应用所需材料的质量和适宜性。但是，如果没有一个使电子定向移动的方法，半导体就无法输出能量。因此，一个功能完善的太阳能电池，通常需要通过增加一个整流p-n结来实现。
二、p-n结与太阳电池发电基础
pn结是由p型半导体材料和n型半导体材料连接而成，如图2-3-4所示。
图2-3-4 光生伏打效应过程图
当连接在一起时，由于在p-n结中不同区域的载流子分布存在浓度梯度，p型半导体材料中过剩的空穴，通过扩散作用流动至n型半导体材料。同理，n型半导体材料中过剩的电子，通过扩散作用流动至p型半导体材料。电子或空穴离开杂质原子后，该固定在晶格内的杂质原子被电离，因此在结区周围建立起了一个电场，以阻止电子和空穴的上述扩散流动，该电场所在区域就是所谓的耗尽区。取决于材料的特性，会形成一个因内电场Ein而存在的内建电压（Uin）。
硅太阳能电池是利用半导体光生伏打效应做成的半导体器件。光照射到电池上可呈现多种不同的情形，为了尽可能将太阳能电池的能量转换效率最大化，必须设计使之得到最大的吸收以及反射后的吸收。
而当太阳光照射到电池上时，电池的电压与电流的关系（即伏安特性）可以简单用图2-3-5所示的特性曲线来表示，图中：UOC为开路电压；ISC为短路电流；Ump为最佳工作电压；Imp为最佳工作电流。
图2-3-5 太阳电池I-U曲线
（1）开路电压UOC
太阳电池电路将负荷断开，测出两端电压，即I=0，此时的电压称为开路电压。
（2）短路电流ISC
太阳电池的两端是短路状态时测定的电流，即U=0，此时的电流称为短路电流。
太阳能电池（组件）的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或电池（组件）的电压从零（短路条件下）开始增加时，电池（组件）的输出功率亦从零开始增加；当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压UOC。电池（组件）输出功率达到最大的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Ump，又称为最大工作电压；该点所对应的电流，称为最大功率点电流，又称为最大工作电流Imp；该点的功率，则称为最大功率Pm。
太阳能电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池（组件）的工作温度，因此太阳能电池（组件）的测量必须在标准条件进行，测量标准被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度1000W/m2；光谱AM1.5；电池温度为25℃。在该条件下，太阳能电池（组件）所输出的最大功率被称为峰值功率，在以瓦为计算单位时称为峰瓦，用符号Wp表示。
实际生产中，硅太阳能电池p-n结在制造时，由于工艺原因而产生缺陷，使太阳能电池的漏电增加。为考虑这种影响，常将伏安特性加以修正，将弯曲部分曲率加大，定义为填充因子，又称曲线因子，是指太阳能电池最大功率与开路电压和短路电流乘积的比值，用符号FF表示：
太阳能电池输出的最大功率与入射到该电池上的全部辐射功率的百分比，称为太阳能电池的转换效率：
η=Um
Im/At
Pin
式中 Um，Im——输出功率点的电压、电流；
At——包括栅线面积在内的太阳能电池总面积；
Pin——单位面积入射光的功率。
三、实训过程
太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称为光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏打效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子-空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。
在光照条件下，只有具有足够能量的光子进入p-n结区附近才能产生电子-空穴对。对于晶体硅太阳能电池来说，太阳光谱中波长小于1.1μm的光都可产生光伏效应。对不同材料的太阳能电池来说，尽管光谱响应的范围是不同的，但光电转换的原理是一致的。如图2-3-6所示，在p-n结的内建电场作用下，n区的空穴向p区运动，而p区的电子向n区运动，最后造成在太阳能电池受光面（上表面）有大量负电荷（电子）积累，而在电池背光面（下表面）有大量正电荷（空穴）积累。如在电池上、下表面接上金属电极，并用导线接上负载，在负载上就有电流通过。只要太阳光照不断，负载上就一直有电流通过。
图2-3-6 晶体硅太阳电池发电示意图（代表电子；代表空穴；光子能量hν）
太阳能电池在工作时，随着光照强度、环境温度和负载的不同，其端电压将发生变化，使输出功率也发生很大变化，太阳能电池输出具有非线性特征，是一种不稳定的电源。因此需要在不同光照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高太阳能电池的输出效率。本实训就是通过太阳能电池在固定的光照强度下，测出当前环境的太阳能电池的伏安特性，找出当前环境下太阳能电池的最大输出功率点。
四、实训步骤
①合上“模拟能源控制系统”的“总电源”开关，系统得电，三相电源指示灯亮。
②合上“开关电源”空气开关，使开关电源工作。
③合上“模拟光源”空气开关，使模拟太阳光灯打开。
④合上“PLC”空气开关，PLC通电，将PLC上的拨动开关置“RUN”状态，使PLC程序处于运行状态。
⑤按下追日系统控制开关的“开始”按钮（绿色按钮），各步进电机准备工作。按下“控制”按钮（黄色按钮），模拟光源开始运动。
⑥合上“能源转换储存控制系统”的“总电源”开关，系统得电，三相电源指示灯亮。
⑦记录光伏输出电压，此值即为光伏开路电压。
⑧合上“能源转换储存控制系统”的“光伏输出”和“可调负载”空气开关。
⑨调节可调电阻，按照阻值从大到小顺序，测量多组光伏输出电流、光伏输出电压，记录于表2-3-1。
表2-3-1 系统记录表
⑩通过记录的电压、电流数据，计算每个电压、电流对应的功率。
实验结束后，按下“停止”按钮（红色按钮），所有步进电机停止运行。再依次关闭模拟能源控制系统的PLC、开关电源、模拟光源空气开关和总电源开关，能源转换储存控制系统的光伏输出、可调负载空气开关和总电源开关。如需进行后续实验，可不关闭总电源。
【练习题】
（1）理解太阳能电池板伏安特性。
（2）根据测量的数据，绘制U-I曲线、功率曲线，并找出最大功率点。
（3）如何测试太阳能电池板最大功率？计算哪个点是最大功率输出点？为什么？
（4）在本征半导体中掺杂了三价或者五价元素之后，形成了p型或者n型杂质半导体，杂质半导体中会形成自由电子的数目大于空穴数目，或者穴数目大于自由电子的数目，整块半导体是否还是电中性呢？