硅光电池特性的研究实验报告2

硅光电池基本特性的研究

太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。

[实验目的]

1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；

2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压

U OC、最大FF

3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系；

[实验原理]

1、硅光电池的基本结构

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，深刻理解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产生机理。

零偏反偏正偏

图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，

势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性,电流方向是从P 指向N 。

2、硅光电池的工作原理

太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。这一能

量转换过程是利用半导体 P-N 结的光伏效应（Photovoltaic Effect ）进行的。在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压 U 与通过电流 I 的关系式为：

， (1)

(1) 式中，I 0和β是常数。其中，I 、U 为 P-N 结二极管的电流及电压，k 为 波尔兹曼常数（1.38×10 J/K ），q 为电子电荷量（1.602×10 库仑），T 为绝

对温度， Io 是二极管的反向饱和电流，是理想二极管参数，q

nKT

β=

由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC －EV 的半导体构成，如图1所示。EC 为半导体电带，EV 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图1

假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成，如图2所示。

图2

图2中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，为光照时，通过太阳能电

(1)U o I I e β=-E C

E V

导电带

价电带能隙光子

空穴电子I ph I d

I ph -I d

R s R sh I R L +-U

池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：

， （2）

(2）式中，I 为太阳能电池的输出电流，U 为输出电压。由（1）式可得， ， （3）

假定 和 ，太阳能电池可简化为图3所示电路。

I ph

I d

I

U

图3

这里， 。 在短路时，U ＝0， ；

而在开路时，I ＝0， ； ， （4）

（4）式即为在 和 的情况下，太阳能电池的开路电压 和短路电流 的关系式。其中 为开路电压， 为短路电流，而I 0 、β是常数。

3、硅光电池的基本特性 (1) 短路电流

图2-3 硅光电池短路电流测试

如图2-3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。

(2)开路电压

1

ln[

1]sc

OC I U I β

=

+∴

()0s ph d sh IR U I I I R +---=(1)s ph d sh sh

R U I I I R R +=--sh R =∞0s R =0(1)

U ph d ph I I I I I e β=-=--ph sc I I =0

(1)0oc

U sc I I e β--=sh R =∞0s R =OC U SC

I

OC U SC I A

PN 结

电极

A

I

I

(a )

(b )

硼扩散层

P型电极

N型硅片

图2-4 硅光电池开路电压测试

如图2-4所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。

(3) 光照特性

光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-5。

图2-5 硅光电池的光照电流电压特性

(4)伏安特性

如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

图2-6 硅光电池的伏安特性测试

(5)负载特性(输出特性)

光电池作为电池使用如图2-7所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL 的值来测定硅光电池的负载特性。

0.3 0.2 0.1 0

光

生 电 流

/ m A

0.6 0.4 0.2 0

2 000 4 000

短路电流 开路电压

光 生

电 压 /

V 光照度 /Lx

电极

(a)

(b)

SiO2膜