硅光电池伏安特性

实验 项目： 硅光电池伏安特性（综合设计 2-1） 实验 目的： 了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 实验 仪器： DH-CGOP 型光敏传感器实验仪（包括灯泡盒，硅光电池 PHC，直流恒压源 DH-VC3，九孔板实验箱，电阻箱，导线） 实验 原理： 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。当光照射金属、 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。 光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反 偏电压与结内电场方向一致，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。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器 和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 光电池的基本结构如图 1 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。
图 1 光 电池结 构示意 图
图1
光电池结构示意图

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 （1） 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：
（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（在本实 验中取 V=-5V），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。
图 2a
硅光电池的伏安特性曲线
图 2b
硅光电池的光照特性曲线 2： 短路电流
*图 2b 中 1： 开路电压
图 2a 为硅光电池的伏安特性曲线。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。 图 2b 为硅光电池的光照特性曲线。负载电阻在 20 欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过 大，则线性会变坏。
开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压， 而当硅光电池的输出端开路时有 和 可得开路电压为：
， 由 （2）

（3） 开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的 形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。 实验 步骤： 1.按照要求连接电路 2.关闭暗箱 3.更改自变量，记录数据 数据 记录： 光源电压 10v 伏安特性 Rx（Ω ） 0 100 200 300 400 600 1000 2000 3000 4000 5000 6000 8000 10000 20000 开路 光源电压（V） 4 5 6 7 8 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 光照强度（Lx） 6 20 50 103 188 311 389 479 591 701 834 982 光照强度 479Lx Usc（mV） Iph（mA） 658 1300 1654 2176 2671 2977 3546 4024 4172 4240 4281 4309 4336 4354 4391 4426 开路电压 Udc（mV） 光源电压 120v 伏安特性 Usc（mV） 0.5065 0.5041 0.4995 0.4806 0.443 0.4086 0.3163 0.1895 0.1332 0.103 0.0831 0.0686 0.0531 0.0431 0.0219 0 短路电流 Isc（mA) 3188 3588 3807 3967 4090 4192 4235 4267 4315 4354 4391 4458 0.0036 0.0157 0.0165 0.09 0.017 0.0187 0.0223 0.0193 0.0245 0.0163 0.0223 0.0113 光照强度 982Lx Iph（mA） 3168 3366 3527 3645 3746 3895 4070 4248 4318 4353 4393 4401 4413 4422 4440 4461 0.5402 0.495 0.4534 0.4187 0.3865 0.3333 0.2584 0.1655 0.1202 0.0938 0.0617 0.0533 0.0426 0.035 0.0195 0

数据 处理：
实验 讨论： 进行实验时，不要过于着急，要等表稳定了，再去计数。 仪器 状态： 正常