Origin在太阳能电池基本特性测定实验中的数据处理及分析

万步勇 苑进社 冯 庆

（重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047）

Origin在太阳能电池基本特性测定实验中的数据处理及分析

万步勇 苑进社 冯 庆

（重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆 400047）

本文测试了太阳能电池的输出特性，并利用Origin软件对实验数据进行了计算、绘图和数据拟合，得到较好的实验结果.表明Origin软件为大学物理实验提供了一种简便、适用的实验数据处理方法，提高了实验教学效果.

Origin软件；物理实验；太阳能电池；教学

1 引言

太阳能光伏发电在未来电力供应和社会发展中占有重要的地位，合理利用太阳能这种清洁、绿色能源，是解决能源危机和环境污染的有效途径之一.太阳能电池是光伏发电系统的核心部件，研究和有效利用太阳能电池是21世纪新型能源开发的重点课题［1，2］.为迎接新能源技术挑战，认识和掌握太阳能电池的一些基本特性和方法对当代大学生是非常有必要的.太阳能电池基本特性测定实验是面向理工科大学生开设的一个综合设计性的普通物理实验，实验教学中，本实验传统的实验数据处理方法多采用坐标纸手工绘图的方法，手工画曲线、并手工作曲线的延长线求电池的特征参数，对数据拟合无能为力，并且每一步误差都会很大，耗时多.而Origin是目前公认为最快、最灵活、使用最容易的科技绘图软件［3，4］.本文利用Origin软件强大的绘图分析功能绘制出精美的图表，清晰展示太阳能特性数据，并对电池的I—V曲线进行数据拟合，从而方便快速得到太阳能电池的基本参数.

2 实验及数据处理原理

太阳能电池的主要结构为PN结，能够吸收光的能量，并将所吸收的光子的能量转化为电能.在没有光照时，可将太阳能电池视为一个理想的二极管，其正向偏压V与通过的电流I的关系为其中，I0是二极管的反向饱和电流；n是理想二极管参数，理论值为1；k是玻尔兹曼常量；q为电子的电荷量；T为热力学温度.

在有光照的情况下，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度，则光子将被太阳能电池吸收而产生电子－空穴对.以恒定速率产生的电子－空穴对提供了通过结的电流.太阳能电池的理论模型可视为由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻Rsh与一个电阻Rs所组成，如图1所示.

图1 太阳能电池的等效电路图

由等效电路可得，流入负载RL的电流为I，负载电压V有当负载RL从零变化到无穷的时候，就可以根据上式画出太阳能电池的负载曲线（伏安特性曲线.）若改变RL到某一个特定值Rm时，其在伏安曲线上得到一个点M，对应的工作电流与工作电压之积最大（Pm＝ImVm），此点M为该太阳能电池的最大功率点.其中，Im为最佳工作电流；Vm为最佳工作电压；Rm为最佳负载电阻；Pm为最大输出功率.

根据其输出伏安特性曲线，可计算出太阳能电池的一些重要参数：如开路电压Voc，短路电流Isc，Im，Vm，Pm，填充因子FF（FF＝Pm/（Isc·Voc）），串联电阻Rs，并联电阻Rsh等.

3 数据测量及Origin数据处理

（1）太阳能电池伏安特性测定

实验仪器为FB736型太阳能电池特性实验仪，电池为8×1cm×1cm的硅电池.在不加偏压，保持白光源到太阳能电池的距离为20cm，光功率J＝1.328mW，依次改变滑动变阻器的阻值，测其太阳能电池的输出电流I与输出电压V之间的关系，其数据如表1所示.

表1 在1.318mW光照下太阳能电池的伏安特性数据（I＝V/R）

启动Origin，软件默认打开一个worksheet窗口，该窗口默认为A、B两列，将表1中的R和V列的数据分别粘贴到worksheet窗口的A、B两列，选Column中Add New Column添加新列，选中该列，点击右键选Set Column Values，编辑电流I的计算式：col（B）/col（A）＊1000，Origin即自动将计算值填入该列.选中B列与C列的数据，右Plot菜单下选Scatter，绘出数据的散点图，Analysis菜单中选Fit Sigmoidal，软件将同时自动进行曲线拟合，画出拟合的曲线（如图2所示）.同时在Result Log窗口输出拟合结果的相关参数.

从图2（a）发现，拟合曲线与测量值之间符合得非常好，拟合相关度达0.99986，其拟合曲线 方 程 为根据拟合曲线，得到输出功率P随电压V的关系（此图略），求出最佳功率，通过曲线过坐标轴的点可得到开路电压和短路电流，如图2（a）所示.其结果如下：Voc＝3.142V，Isc＝1.226mA，Vm＝2.220V，Im＝0.989mA，Pm＝2.194mW，Rm＝2245.827Ω，FF＝56.97%.

对并联电阻Rsh和串联电阻Rs的近似求解，考虑V→0时，式（1）的渐进行为，针对硅电池一般有：Id≪IL，Rs≪Rsh，即式（1）变为

表明在V→0时，曲线具有较好的线性关系，对式（2）求微分，得同理，当V→Voc时，化简得

表明在V→Voc时，曲线具有较好的线性关系，对式（3）求微分，得

因此，只需对太阳能电池的I—V曲线进行微分，在V→0和V→Voc处可分别得到并联电阻Rsh和串联电阻Rs.

在Origin界面上，双击拟合的I—V曲线，进入Plot Details界面，选中layer1中的拟合数据，点击worksheet，显示出拟合数据，并画出拟合数据的散点图，Analysis菜单中选Calculus－Differentiate，界面显示出微分图（如图2（b）所示）.其中的插图是对V→0范围内的图形进行放大.根据V→0和V→Voc处的微分值可得到并联电阻Rsh＝1.49×105（Ω）和串联电阻Rs＝4.96×102（Ω）.电池具有较高的串联内阻，这必将降低电池的填充因子，降低电池的效率，这与电池的填充因子只有56%左右的结论是一致的，表明该电池性能低下，这可能与电池老化有关.

（2）短路电流Isc、开路电压Voc与相对光强的关系

为了了解电池开路电压和短路电流与相对光强之间的关系.实验中，通过改变电池到光源的距离来改变光强，测试不同光强下，电池的输出特性，其结果如表2所示，表中J为不同x（电池—光源距离）的光强，J0为x＝20cm的光强.

续表

在Origin界面中，如上述操作，分别画出短路电流Isc、开路电压Voc与相对光强J/J0之间的关系.如图3所示.并对Isc～J/J0关系进行了线性拟合，对Voc～J/J0进行了以函数Voc＝a－bln（J/J0＋c）关系进行了拟合，结果如图3所示，结果与理论一致.

图3 太阳能电池短路电流（a）、开路电压（b）与相对光强的关系曲线图

4 结束语

本文对太阳能电池板的输出特性进行了测试，并以Origin对实验数据进行了绘图及数据处理.根据电池的I—V曲线，得到了电池的特征参数.结果表明，使用Origin软件进行实验数据处理和数据拟合，不仅操作过程简单，绘图精确美观，参数详细，避免了手工绘图过程中主观因素造成的误差，可以方便、快速、准确地处理实验数据，大大提高了同学们进行物理实验的兴趣和自我学习的能力.

［1］ 黄庆举，林继平，魏长河，姚若河.硅太阳能电池的应用研究与进展［J］.材料开发与应用，2009，24（6）：93～96

［2］ 王丽英.基于下转换原理的高效晶体硅太阳能电池研究取得进展［J］.今日电子，2010，10：28～28

［3］ 叶卫平，方安平，于本方.Origin 7.0科技绘图及数据分析［M］.北京：机械工业出版社，2004

［4］ 金园园，卢成，李根全.Origin8.0在普朗克常数测定实验中的应用［J］.物理与工程，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）

国家自然科学基金（61106129）、重庆教委项目（KJ080819）、重庆师范大学博士启动基金（No.10XLB020）.

万步勇（1976年出生），男，四川简阳人，重庆师范大学物理与电子工程学院讲师，博士，主要从事物理教学和纳米功能材料的研究.