硅光电池特性的研究实验报告

实验报告
姓名：李子汨班级：F0603028 学号：5060309108 实验成绩：
同组姓名：钱鹏实验日期：2007/09/21 指导教师：批阅日期：
硅光电池特性的研究
实验目的：
1.了解硅光电池的工作原理及其应用。

2.研究硅光电池的主要参数和基本特性。

实验原理：
硅光电池的照度特性
硅光电池是属于一种有PN结的单结光电池。

它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成。

当光照射在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P区和N区集结，使PN 结两端产生光生电动势。

这一现象称为光伏效应。

1.硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N区流向P区的光生电流I ph，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D。

此电流方向从P区到N区，与光生电流相反，因此实际获得电流I为
I=I pℎ−I D=I pℎ−I0[exp(
qv
nk B T
) −1]
式中V为结电压，I0为二极管反向饱和电流，I ph是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关。

n为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q为电子电荷，k B为波尔茨曼常数，T为绝对温度。

在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流I sc=I pℎ硅光电池短路电流与照度特性见图1。

2.硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0，由上两式可得开路电压
V oc=nk B T
q
ln(
I sc
I0
+1)
硅光电池开路电压与照度特性见图1。

硅光电池的负载特性
当硅光电池接上负载R时，硅光电池工作可以在反向偏置电压状态或无偏压状态。

它的伏安特性见图2。

由图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：
1.反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；
2.无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大。

由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流I ph，在电压轴上的截距即为开路电压V oc。

硅光电池的光谱响应。

图3为硅光电池的光谱特性曲线。

即相对灵敏度K r 和入射光波长 的关系曲线。

从图3中可看出，硅光电池的有效范围约在450—1100 nm之间。

实验室给出六种不同的滤色片，透过各滤色片光的波长见表1。

1.实验中所用光源为发光二极管，二极管发出的光再打在荧光粉上发出白光，其各谱线所对应的光强与波长有关，本实验中所用光源的相对光强与波长λ关系写在桌子上的表格上面。

2.实验室给出的各种波长滤色片的波长并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值。

表征宽度通常是用半带宽∆λ表示，滤色片的峰值透射率用T表示，各个波长滤色片的∆λ和T并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致。

因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T及半带宽∆λ已附在各组实验仪器上。

3.硅光电池的灵敏度K为
K(λ)=
P(λ)
η(λ)T(λ)Δλ
P(λ)为硅光电池测得的光强，可用硅光电池的输出电压或电流表示。

硅光电池的相对灵敏度K r为
K r(λ)=K(λ) K m
K m为不同波长对应K(λ)的最大值。

实验中，光源的能量主要集中在红外区域，本实验所用的偏振片对红外不起偏，因此要选择合适的滤色片滤掉红外光，才能进行验证马吕斯定律的实验内容。

数据处理
原始数据：
照度特性研究
实验中通过改变入射光的控制电流改变入射光的强度从而改变照度，这样可以使照度均匀增加，有利于实验数据的收集。

测短路电流的时候要选好量程，因为改变量程会使得电流表内阻改变，影响前面的测得的数据。

可以使用替代法测100Ω精细电阻的电压从而得到短路电流。

R SD N P
------------------------------------------------------------ 0.99936 0.00192 12 <0.0001
------------------------------------------------------------
伏安特性研究
U o c /V
E/Lux
I s c / A
硅光电池的光谱响应
思考与讨论
1. 照度特性研究实验中改变照度的方法有很多，比如可以通过改变光源到硅光电池的距离，
但是注意这时必须要求光源必须是点光源，不能使平行光，否则不满足距离反比。

2. 通过改变偏振片改变光照强度的方法，为了使照度尽量大，可以先通过透镜将其聚光。

3. 照度特性研究的实验中两组数据都近似为线形，是因为在低照度的情况下都近似为线性。

实验所得数据V
I 近似为一常数可能是由于电流表内阻过大造成的，这时使用替代法是一
个很好的选择，可以尽可能的减少精度误差。

4. 硅光电池对光比较敏感。

实验时应尽量保持外界光照条件一样。

5. 硅光电池的光谱响应实验中最大的灵敏度对应的波长范围大概为1000nm 左右，而实验
中最大的波长为670.7nm ，故无法测得相对灵敏度。

U/V
U/mV
I/ A
思考题
1.实验中所用光源的电压发生变化，表二所提供的参数是否发生变化？
答：实验中所用的光实际上是二极管直接发出的光打到荧光粉上，然后发出的荧光，相对光强的分布，应该取决于荧光粉的性质，和所加的电压没有关系。

所以，所用光源的电压变化，表二提供的参数应该不发生变化。

2.硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明。

答：有。

入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程是需要反应时间的。

这个时间延迟可以用实验来证明。

事实上，在光通信网络中，由于光电信号的转换造成的瓶颈已经是这个现象的验证了。

只不过，那里用的都是光电接收器，而这里是作为电池的硅。

原理是一样的。

3.动态电阻与通常的电源内阻是否是同一概念？
答：不是。

二者是完全不同的概念。

“动态电阻”定义为二极管在任意一个工作点处，电压相对于电流的导数。

一般而言，工作点改变时，动态电阻也跟着改变，这就是之所以叫做动态电阻的原因。

在V－I特性曲线中，动态电阻是曲线的斜率。

而普通的电源内阻，是说电源内部存在电阻，所以电流流过电源时，电压除了升高一个电动势外，还会有一个电压降。

4.设计一个测量高锰酸钾溶液浓度与透射率关系的实验装置。

答：如上图所示，支架上的柱状玻璃容器内，存有溶液。

让激光器打出的光，通过溶液，再用照度记测量出射的光。

更换浓度不同的溶液，探测器探测到的光强就会不同，以浓度为零时的光强作标准，就可以简单定出溶液浓度和透射率之间的关系。