硅光电池特性实验

图 1-2 光电池的入射光强-电流电压特性曲线
VOC 随入射光强按对数规律变化，ISC 与入射光强成线性关系。
光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻 RL，这时电流记作 I LC ， 它与入射光强不再成线性关系， RL 相对光电池内阻 Rd 越大，线性范围越小，如下图所示：
图 1-3 光电池的入射光强-电流-负载特性曲线
表 1-6
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
表 1-7
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
表 1-8
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
6、硅光电池光谱特性测量
实验方法与短路电流测试方法基本一样，不同点就是光源采取全彩灯光源，光源特性测
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图 1-9 硅光电池光照特性电路
5）将负载换成分别换成 10K、47K、100K，分别记录电流表的读数，填入表 1-4。 6）重复以上方法，分别测量光照度为 100 Lx、200 Lx、300 Lx 下的光电流值，并记录下 来，同时关闭电源。
表 1-4
图 1-10 硅光电池伏安特性电路
5）重复以上方法，测量照度分别为 100Lx、200 Lx、300 Lx 下的光生电压值和光生电流 值，填入表 1-5。
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表 1-5
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
电压（mV）
6）作出光电池在负载阻值为 4.7KΩ时的 V-I 曲线。 7）改变负载大小 10K、47K、100K 分别记录电压表和电流表的读数，并填入表 1-6、1-7、 1-8 中。 8）作出这四种不同负载下硅光电池的 V-I 特性曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析。
试模块的航空插座 FLED-IN 与全彩灯光源套筒后端盖航空插座对应插接。打开光源特性测试
模块电源开关 K101，将 S601，S602，S603 开关向上拨（ON 档），通过控制 K501、K502、
K503 开关，调节光源颜色和光强大小。在相同照度(100 Lx)下，测得光电流，填入表 1-9，并
电流值
照度值 50Lx
负载
4.7Ｋ
10Ｋ
47Ｋ
100Ｋ
100Lx
200 Lx
300 Lx
7）作出光电池的电流随负载变化的电流-负载特性曲线。 5、硅光电池伏安特性测量 1）打开台体电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止。 2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别连接台体0-12V可调电源的Vout+和Vout-上；Vout+和 Vout-同时连接到电压表二的正负极（结构件组装参考光敏电阻实验图1-2）。 3）将硅光电池探头红黑插孔接到台体光照度红黑插孔上。 4）打开实验台电源，调节光照度调节旋钮，改变光照度，使照度计显示 50Lx。拔去硅 光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红插孔连接 4.7K 电阻，电阻另一端连 接电流表的正极，电流表负极连接硅光电池探头黑插孔，记下 50Lx 光照度下的光生电压值和 光生电流值，填入表 1-5。
一块
连接导线
若干
四、实验原理
1、光电池的结构和原理 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源， 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的 PN 结，当光照射 到 PN 结的一个面，例如 P 型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么 P 型区每 吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的 作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图 1-1 是硅光电池原理图，其中(a)为结构 示意图，(b)为等效电路。
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第三部分 硅光电池实验
实验一 硅光电池特性实验
一、实验目的
1、了解光电池的工作原理、使用方法和应用； 2、掌握光电池的光照特性及其测试方法； 3、掌握光电池的伏安特性及其测试方法； 4、掌握光电池的光谱特性及其测试方法； 5、掌握硅光电池的时间响应特性及其测试方法。
图 1-6 短路电流测量电路
5）重复以上方法，测出照度为 100Lx……400Lx 时的硅光电池的短路电流，将数据填入 表 1-1 中：
表 1-1
光照度（Lx）
50
100
150
200
300
400
光生电流（μA） 6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—短路电流特性曲线。
2、硅光电池开路电压的测量 1）打开台体电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止。 2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别连接台体0-12V可调电源的Vout+和Vout-上；Vout+和 Vout-同时连接到电压表二的正负极。（结构件组装参考光敏电阻实验图1-2） 3）将硅光电池探头红黑插孔接到台体光照度红黑插孔上。 4）打开实验台电源，调节 0-12V 可调电源电压，改变光照度，使照度计显示 50Lx。拔 去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接电压表的正极， 和电压表的负极，测出 50Lx 照度下的开路电压，电路图如下图所示：
图 1-7 开路电压测量电路
5）重复以上方法，测出照度为100Lx……400Lx时硅光电池的开路电压，将数据填入表1-2：
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表 1-2
光照度（Lx）
50
100
150
200
300
400
U（mV）
6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—开路电压特性曲线。 3、零偏、反偏时光照-电流特性测量 1）打开台体电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止。 2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别连接台体0-12V可调电源的Vout+和Vout-上；Vout+和 Vout-同时连接到电压表二的正负极。（结构件组装参考光敏电阻实验图1-2） 3）将硅光电池探头红黑插孔接到台体光照度红黑插孔上。 4）打开实验台电源，调节 0-12V 可调电源电压，改变光照度，使照度计显示 200Lx。拔 去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红插孔连接电流表的正极，电流 表的负极串接一个 4.7K 电阻到硅光电池黑插孔，将结果记录到表 1-3 中。 5）拆掉电流表负极和 4.7K 电阻的连接，将电流表负极连接台体 0-30V 可调电源的 Vout-， 可调电源的 Vout+连接 4.7K 电阻。0-30V 可调电源的 Vout+，Vout-连接到电压表一的正负极 上。旋转电压调节旋钮，使其为 2V，记录该偏压下硅光电池的光电流值，填入表 1-3 中。
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SiO2膜
I
硼扩散层 P型电极
I
N型硅片
PN结
A
A
电极
(a)
(b)
图 1-1 硅光电池原理图
2、光电池的特性参数 2.1 光照特性 这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。 入射光强-电流电压特性描述的是开路电压 VOC 和短开路电流 ISC 随入射光强变化的规律， 如下图所示。
当 RL 为∞时，可近似看做开路，输出电压为 VOC。
随着 RL 的变化，输出功率也变化，当 RL RM 时，输出功率最大，RM 称最佳负载。
2.2 光谱特性 光电池的光谱特性取决于所采用的材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度， 峰值波长在 540nm 附近，它适宜于测量可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合，它的光 谱灵敏度与人眼很接近，可用它客观的决定照度。硅光电池可以应用的范围是 400~1100nm。 峰值波长在 850nm 附近。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关，也和制造工 艺有关，并且随使用温度的不同而有所移动。 2.3 伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平 移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压 VOC，与电流轴交点称为短 路电流 ISC。 图 1-5 给出了硅光电池的伏安特性曲线。它表示负载为电阻时，受光照射的硅光电池输 出电压与电流的关系。负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点 M 为工作 点。负载电阻 RL 从硅光电池获得的最大功率为 Pm＝Ｉm·Um。
二、实验内容
1、硅光电池短路电流的测量； 2、硅光电池开路电压的测量； 3、零偏、反偏时光照-电流特性测量； 4、硅光电池光电特性测量； 5、硅光电池伏安特性测量； 6、硅光电池光谱特性测量； 7、硅光电池时间响应特性测量。
三、实验仪器
光电技术创新综合实验平台
一台
特性测试实验模块
一块
光源特性测试模块
入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化 的规律。如下图所示：
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图 1-4 光电池的入射光强-负载特性曲线
当 RL＜＜Rd 时，可近似看做短路，输出电流为 ISC，与入射光强成正比，RL 越小，线性 度越好，线性范围越大。
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作出曲线。实验完毕，拆除所有连线，将光照度调节旋钮都逆时针旋到底。
表 1-9
光源颜色
光电流 I（μA） 照度（Lx）