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硅光电池测量实验室 2006.9.25
编号：
硅光电池基本特性研究
光电池又称光伏电池。光电池的种类较多，如硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。其中硅光电池具有较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便，因而得到广泛应用。本实验研究硅光．电池的基本特性。
硅光电池可以用作光信号探测器（光电传感器），在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。另一方面硅光电池可将太阳能转换成电能，如果把许多硅光电池科学地串联或并联起来，可以建成太阳能发电站，为人类更有效地利用太阳能开辟新道路。
本实验要求通过对硅光电池基本特性的测量，了解和掌握其特性及有关的测量方法，进而对日益广泛使用的各种光电器件有更深入的了解。
实验原理 在P型硅片上扩散一层极薄的N型层，形成PN结，再在该硅片的上下两面各制一个电极（其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射。），这样构成了硅光电池，如图一所示。 负极增透膜N型PN结P型正极图一 硅光电池的结构及符号当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子－空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达PN结附近时受PN结内电场的作用，空穴向P区迁移，使P区显示正电性，电子向N区迁移，使N区带负电，因此在PN结上产生了电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。
硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图二所示。 1．在无光照时，光(生)电流Iph?0，光电池可以简化为二极管（图三）。根据半导体理论，流经二
极管的电流Id与其两端电压的关系符合以下经验公式
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Id?I?I0e??V?1? （1） 式中?和I是常数。 0IdI+IphIphV-图二 光电池简化等效电路图三 光电池等效为二极管2．有光照时，Iph>0，光电池端电压与电流的关系为： I?Id?Iph?I0e??V?1?I?ph （2） 由（2），可以得到以下结论： ① 当外电路短路时，短路电流Isc??Iph，光电流全部流向外电路。 ② 当外电路开路时，开路电压Voc?Iph??Isc?1ln??1?，开路电压Voc?ln??1?，即Voc??I??I????0??0?1与短路电流Isc满足对数关系；如果Isc与光通量（或照度）有线性关系，则Voc与光通量就符合对数关系。 由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大，因此要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当值。 实验器材 1. 光具座及附件,附件包括：光源、光电池组件、一对偏振器、5个滤光片和支架、透光盒及支架。 其中光电池组件的电路连接如图四所示。 2. 电源及电阻网络（装于机箱内），当电源开关拨向“电源”时，绿指示灯亮，图五示出电源及电阻网络的等效电路；当电源开关拨向“光源”时，黄指示灯亮，图六示出此时的等效电路。 3. 数字电流表、电压表。 光线入射面光电池(上)R光电池(上)＋ 黄色－ 蓝色＋ 红色－ 黑色RnRn图四 光电池组件图五图六 3 实验内容 数字电压表用直流2v档，电流表用直流200mA档（实验室已设定）。测量光效应时注意调节光电组件的高度，使被测光电池均匀受光。 1. 在无光照条件下，测量光电池正向偏压时的伏安特性 即I~V关系（自拟原始数据表1并填之）。图七为实验线路图，通过改变电阻Rn改变加于光电池的电压， Rn值随下标n的增大而增加。 将开关拨向“电源”，将光电池组件装上光具座，并用镜头盖遮住光电池的入光面；面板接线如图八所示。 ＋RR1R7RR8R14ARnAV光遮电光池(R15R20)V－图七图八2. 测量光电池的光照特性 测量短路电流Isc与光电池上的光通量的变化关系。在光电池的线性响应范围内，光电流与入射光通量成正比，这是光电池作为光电检测元件被广泛应用的重要原因。 实验方法一： 理论指出，对于点光源，通过一定的不算大的面积上的光通量与该面积到点光源的距离平方成反比，即 ??1L2。 图九为实验线路图。将开关拨向“光源”，在光具座上调节光电池组件的高度，使上（或下）光电池被均匀照亮；沿光具座移动光电组件，改变它到光源的距离L，同时测量Isc（填数据表2，见下）；面板接线如图十所示。 RR1R7＋R8R14AR15R20A－图九图十 4 表2
L/cm 30 32 9.8 34 8.7 36 7.7 38 6.9 40 6.3 42 5.7 44 5.2 46 4.7 48 4.3 50 4.0 1/L2 (×10-4) 11 Isc/mA
实验方法二：根据马吕斯（Malus）定律，透过两个交叉偏振片的光强与其交角α的余弦平方成正比，因此如果改变α，测出对应的短路电流，只要Isc～α曲线大致为余弦平方曲线，硅光电池存在线性相应区可以得到证明。 将一对偏振片置于光源和光电组件之间，并尽量靠近光电组件，测量Isc～α的关系，自拟数据表3并填之，图略。 3. 测量光电池的负载特性 调节光源到光电组件的距离约30cm，为作图方便Rn可选择R7~R15。 （1） 测量光照情况下，光电池输出电压与负载电阻的关系（填表4）。图十一和图十二是线路图及面板接线图。 表4 Rn Ω V/v ＋R7 15 R8 18 R9 22 R10 33 R11 62 R12 75 R13 91 R14 100 R15 300 RR1R7R8R14RnVR15R20V－图十一图十二（2） 测量输出电流与负载电阻的关系，自拟数据表5并填之，Rn的选择同（1）。图十三和图十四是线路图及面板接线图。 ＋RR1R7ARnR8R14AR15R20－图十三图十四 5