萬步勇 苑進(jìn)社 馮 慶

（重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047）

Origin在太陽能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)處理及分析

萬步勇 苑進(jìn)社 馮 慶

（重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，重慶 400047）

本文測(cè)試了太陽能電池的輸出特性，并利用Origin軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算、繪圖和數(shù)據(jù)擬合，得到較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果.表明Origin軟件為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)提供了一種簡(jiǎn)便、適用的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果.

Origin軟件；物理實(shí)驗(yàn)；太陽能電池；教學(xué)

1 引言

太陽能光伏發(fā)電在未來電力供應(yīng)和社會(huì)發(fā)展中占有重要的地位，合理利用太陽能這種清潔、綠色能源，是解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效途徑之一.太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，研究和有效利用太陽能電池是21世紀(jì)新型能源開發(fā)的重點(diǎn)課題［1，2］.為迎接新能源技術(shù)挑戰(zhàn)，認(rèn)識(shí)和掌握太陽能電池的一些基本特性和方法對(duì)當(dāng)代大學(xué)生是非常有必要的.太陽能電池基本特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)是面向理工科大學(xué)生開設(shè)的一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性的普通物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，本實(shí)驗(yàn)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法多采用坐標(biāo)紙手工繪圖的方法，手工畫曲線、并手工作曲線的延長(zhǎng)線求電池的特征參數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)擬合無能為力，并且每一步誤差都會(huì)很大，耗時(shí)多.而Origin是目前公認(rèn)為最快、最靈活、使用最容易的科技繪圖軟件［3，4］.本文利用Origin軟件強(qiáng)大的繪圖分析功能繪制出精美的圖表，清晰展示太陽能特性數(shù)據(jù)，并對(duì)電池的I—V曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，從而方便快速得到太陽能電池的基本參數(shù).

2 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理原理

太陽能電池的主要結(jié)構(gòu)為PN結(jié)，能夠吸收光的能量，并將所吸收的光子的能量轉(zhuǎn)化為電能.在沒有光照時(shí)，可將太陽能電池視為一個(gè)理想的二極管，其正向偏壓V與通過的電流I的關(guān)系為其中，I0是二極管的反向飽和電流；n是理想二極管參數(shù)，理論值為1；k是玻爾茲曼常量；q為電子的電荷量；T為熱力學(xué)溫度.

在有光照的情況下，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則光子將被太陽能電池吸收而產(chǎn)生電子－空穴對(duì).以恒定速率產(chǎn)生的電子－空穴對(duì)提供了通過結(jié)的電流.太陽能電池的理論模型可視為由一理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻Rsh與一個(gè)電阻Rs所組成，如圖1所示.

圖1 太陽能電池的等效電路圖

由等效電路可得，流入負(fù)載RL的電流為I，負(fù)載電壓V有當(dāng)負(fù)載RL從零變化到無窮的時(shí)候，就可以根據(jù)上式畫出太陽能電池的負(fù)載曲線（伏安特性曲線.）若改變RL到某一個(gè)特定值Rm時(shí)，其在伏安曲線上得到一個(gè)點(diǎn)M，對(duì)應(yīng)的工作電流與工作電壓之積最大（Pm＝ImVm），此點(diǎn)M為該太陽能電池的最大功率點(diǎn).其中，Im為最佳工作電流；Vm為最佳工作電壓；Rm為最佳負(fù)載電阻；Pm為最大輸出功率.

根據(jù)其輸出伏安特性曲線，可計(jì)算出太陽能電池的一些重要參數(shù)：如開路電壓Voc，短路電流Isc，Im，Vm，Pm，填充因子FF（FF＝Pm/（Isc·Voc）），串聯(lián)電阻Rs，并聯(lián)電阻Rsh等.

3 數(shù)據(jù)測(cè)量及Origin數(shù)據(jù)處理

（1）太陽能電池伏安特性測(cè)定

實(shí)驗(yàn)儀器為FB736型太陽能電池特性實(shí)驗(yàn)儀，電池為8×1cm×1cm的硅電池.在不加偏壓，保持白光源到太陽能電池的距離為20cm，光功率J＝1.328mW，依次改變滑動(dòng)變阻器的阻值，測(cè)其太陽能電池的輸出電流I與輸出電壓V之間的關(guān)系，其數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 在1.318mW光照下太陽能電池的伏安特性數(shù)據(jù)（I＝V/R）

啟動(dòng)Origin，軟件默認(rèn)打開一個(gè)worksheet窗口，該窗口默認(rèn)為A、B兩列，將表1中的R和V列的數(shù)據(jù)分別粘貼到worksheet窗口的A、B兩列，選Column中Add New Column添加新列，選中該列，點(diǎn)擊右鍵選Set Column Values，編輯電流I的計(jì)算式：col（B）/col（A）＊1000，Origin即自動(dòng)將計(jì)算值填入該列.選中B列與C列的數(shù)據(jù)，右Plot菜單下選Scatter，繪出數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，Analysis菜單中選Fit Sigmoidal，軟件將同時(shí)自動(dòng)進(jìn)行曲線擬合，畫出擬合的曲線（如圖2所示）.同時(shí)在Result Log窗口輸出擬合結(jié)果的相關(guān)參數(shù).

從圖2（a）發(fā)現(xiàn)，擬合曲線與測(cè)量值之間符合得非常好，擬合相關(guān)度達(dá)0.99986，其擬合曲線 方 程 為根據(jù)擬合曲線，得到輸出功率P隨電壓V的關(guān)系（此圖略），求出最佳功率，通過曲線過坐標(biāo)軸的點(diǎn)可得到開路電壓和短路電流，如圖2（a）所示.其結(jié)果如下：Voc＝3.142V，Isc＝1.226mA，Vm＝2.220V，Im＝0.989mA，Pm＝2.194mW，Rm＝2245.827Ω，F(xiàn)F＝56.97%.

對(duì)并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs的近似求解，考慮V→0時(shí)，式（1）的漸進(jìn)行為，針對(duì)硅電池一般有：Id?IL，Rs?Rsh，即式（1）變?yōu)?/p>

表明在V→0時(shí)，曲線具有較好的線性關(guān)系，對(duì)式（2）求微分，得同理，當(dāng)V→Voc時(shí)，化簡(jiǎn)得

表明在V→Voc時(shí)，曲線具有較好的線性關(guān)系，對(duì)式（3）求微分，得

因此，只需對(duì)太陽能電池的I—V曲線進(jìn)行微分，在V→0和V→Voc處可分別得到并聯(lián)電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs.

在Origin界面上，雙擊擬合的I—V曲線，進(jìn)入Plot Details界面，選中l(wèi)ayer1中的擬合數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊worksheet，顯示出擬合數(shù)據(jù)，并畫出擬合數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，Analysis菜單中選Calculus－Differentiate，界面顯示出微分圖（如圖2（b）所示）.其中的插圖是對(duì)V→0范圍內(nèi)的圖形進(jìn)行放大.根據(jù)V→0和V→Voc處的微分值可得到并聯(lián)電阻Rsh＝1.49×105（Ω）和串聯(lián)電阻Rs＝4.96×102（Ω）.電池具有較高的串聯(lián)內(nèi)阻，這必將降低電池的填充因子，降低電池的效率，這與電池的填充因子只有56%左右的結(jié)論是一致的，表明該電池性能低下，這可能與電池老化有關(guān).

（2）短路電流Isc、開路電壓Voc與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系

為了了解電池開路電壓和短路電流與相對(duì)光強(qiáng)之間的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)中，通過改變電池到光源的距離來改變光強(qiáng)，測(cè)試不同光強(qiáng)下，電池的輸出特性，其結(jié)果如表2所示，表中J為不同x（電池—光源距離）的光強(qiáng)，J0為x＝20cm的光強(qiáng).

續(xù)表

在Origin界面中，如上述操作，分別畫出短路電流Isc、開路電壓Voc與相對(duì)光強(qiáng)J/J0之間的關(guān)系.如圖3所示.并對(duì)Isc～J/J0關(guān)系進(jìn)行了線性擬合，對(duì)Voc～J/J0進(jìn)行了以函數(shù)Voc＝a－bln（J/J0＋c）關(guān)系進(jìn)行了擬合，結(jié)果如圖3所示，結(jié)果與理論一致.

圖3 太陽能電池短路電流（a）、開路電壓（b）與相對(duì)光強(qiáng)的關(guān)系曲線圖

4 結(jié)束語

本文對(duì)太陽能電池板的輸出特性進(jìn)行了測(cè)試，并以O(shè)rigin對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了繪圖及數(shù)據(jù)處理.根據(jù)電池的I—V曲線，得到了電池的特征參數(shù).結(jié)果表明，使用Origin軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)擬合，不僅操作過程簡(jiǎn)單，繪圖精確美觀，參數(shù)詳細(xì)，避免了手工繪圖過程中主觀因素造成的誤差，可以方便、快速、準(zhǔn)確地處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高了同學(xué)們進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)的興趣和自我學(xué)習(xí)的能力.

［1］ 黃慶舉，林繼平，魏長(zhǎng)河，姚若河.硅太陽能電池的應(yīng)用研究與進(jìn)展［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2009，24（6）：93～96

［2］ 王麗英.基于下轉(zhuǎn)換原理的高效晶體硅太陽能電池研究取得進(jìn)展［J］.今日電子，2010，10：28～28

［3］ 葉衛(wèi)平，方安平，于本方.Origin 7.0科技繪圖及數(shù)據(jù)分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004

［4］ 金園園，盧成，李根全.Origin8.0在普朗克常數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.物理與工程，2010，20（6）：31～34

DATA PROCESSING AND ANALYSIS WITH ORIGIN IN THE EXPERIMENT OF BASIC CHARACTERISTICS
MEASUREMENT OF A SOLAR CELL

Wan Buyong Yuang Jinshe Feng Qing
（College of Physics and Electronic Engineering，Chongqing Normal University，Chongqing 400047）

In this paper，the output characteristics of a solar cell are measured.The experimental data is calculated，mapped and fitted by the Origin software，and the better results are obtained.Our work reveals that the Origin software provides a simple and applicable data processing method for the college physics experiment，which improves the effectiveness of the experimental teaching.

Origin software；physics experiment；solar cell；teaching

2011－10－07）

國家自然科學(xué)基金（61106129）、重慶教委項(xiàng)目（KJ080819）、重慶師范大學(xué)博士啟動(dòng)基金（No.10XLB020）.

萬步勇（1976年出生），男，四川簡(jiǎn)陽人，重慶師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院講師，博士，主要從事物理教學(xué)和納米功能材料的研究.