硅光电池特性测试实验
1 实验目的
通过测试太阳能电池的短路电流、开路电压，绘制I-V特性曲线并计算填充因子，理解太阳能电池的工作原理及基本特性。
2实验原理
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深入学习硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池的机理。
2.1硅光电池的工作原理
光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。光电
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二极管是典型的光电效应探测器。当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系。
2.2 硅光电池的伏安特性
硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如上图所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是
?eV?kT I?Is?e?1? （1）
??2
式(1)中I为流过二极管的总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（2）确定：
?eV?kTI?Is?e?1??Ip （2）
??此式表示硅光电池的伏安特性。式（2）中I为流过硅光电池的总电流，Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时流过PN结的电流I=Ip-Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
3 实验内容
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1. 在不加偏压时，用白色光照射，测量太阳能电池一些特性。光源到太阳能电池距离保持为一定值。
（1）设计测量电路图，并连接。
（2）测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，将数据记录入表1中，并绘制I-U曲线图。
（3）求短路电流ISC和开路电压UOC。
（4）求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。
（5）计算填充因子FF?PmaxISCUOC
表1 R(kΩ) I(μA) U(V) P(μW) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ∞ 改变光源到太阳能电池的距离，重复以上步骤。了解在不同光
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照条件下太阳能电池特性的差异。
2. 测量太阳能电池的短路电流和开路电压与光照度的关系 取离白光源20cm（有些同学测的是30cm）水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J0；改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量该处的光照强度J。测量太阳能电池接受到相对光强度J /J0不同值时，相应的ISC和UOC的值。 （1）设计测量电路图，并连接。
（2）测量太阳能电池接受到相对光强度J /J0不同值时，相应的
ISC和UOC的值。
（3）绘制并描绘ISC和与相对光强J /J0之间的关系曲线。 （4） 绘制并描绘UOC和与相对光强J /J0之间的关系曲线。
4 注意事项
1. 避免太阳光照射太阳能电池。 2. 连接电路时，保持电源开关断开
思考题：
1. 为什么负载变化时硅光电池的输出功率会变化？ 2. 如何提高硅光电池的转换效率？
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