硅光电池实验-大学物理实验

实验4.3硅光电池的光照特性

太阳能是一种清洁能源、绿色能源,世界各国都十分重视对太阳能的利用。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,是应用极其广泛的一种光电传感器。

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1.了解硅光电池的基本特性;

2.测绘硅光电池的光照特性曲线;

3.学习用电流补偿法测定硅光电池的短路电流及负载电流。

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半导体受到光的照射而产生电动势的现象,称为光生伏特效应。硅光电池是根据光生伏特效应的原理做成的半导体光电转换器件。

硅光电池的结构如图4.3.1所示。在一块N型硅片上用扩散方法掺入一很薄的P 型层,形成PN结,在P型层引出正极引线,在N型层引出负极引线即成。其形状有圆盘形、长方形等。

图4.3.1硅光电池结构示意图

当光照射到P型层的外表面时,光可透过P区进入N区,照射到PN结。当光子的能量大于硅的禁带宽度时,光子能量便被硅晶格所吸收,价带电子受激跃迁到导带,形成自由电子,而价带则形成自由空穴,使得PN结两边产生电子-空穴对,如图4.3.2所示。凡是扩散到PN结部分形成的内电场的电子-空穴对,都要受到内电场E的作用,电子被

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推向N区,空穴被推向P区,从而产生P为正N为负的电动势。若接入一负载,只要有光不断照射,电路中就有持续电流通过,从而实现了光电转换。

图4.3.2光生伏特示意图

光电池在一定光照下,负载无限大(开路)时,其极间电压称为开路电压,开路电压U oc的大小与光照强度L的对数呈线性关系,如图4.3.3(a)(b)所示。负载电阻为零(即短路)时,光电池的输出电流称为短路电流。短路电流I sc的大小与光照强度L呈线性关系,如图4.3.3(c)所示。

光电池的输出端接一负载电阻时,有对应的端电压、负载电流和输出功率。负载电阻R为最佳匹配电阻时,输出功率P最大,能量转换效率最高,如图4.3.3(d)所示。这是在一些实际应用中必须考虑的问题。

图4.3.3硅光电池光照特性曲线

用点光源照射光电池时,光照强度L与光电池受光面到光源距离的平方r2成反比。

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当光源的线度足够小或距光电池足够远时,可视为点光源。因此,实验中可以通过改变硅光电池到光源的距离来改变光照强度。

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硅光电池,数字万用表,电阻箱,滑线电阻,光具座,卤钨灯,卤钨灯电源,圆孔光阑,检流计,干电池,导线。

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1.⎁ ⹻ ⭫⊖Ⲻ 䐥⭫ ф ➝ Ⲻ ㌱

用数字电压表(数字万用表直流电压挡)测硅光电池的开路电压U oc。

数字电压表的内阻较大,一般都在106Ω以上,因此用数字电压表测硅光电池的开路电压时,由硅光电池的内阻产生的误差完全可以忽略。

将光源放在光具座的一端,接通电源使光源在1.6A的电流下发光。将光源对准硅光电池,改变硅光电池与光源的距离r,测出相应的硅光电池的开路电压U oc,列表记录数据,作U oc—ln(1/r2)图线,并说明实验结论。

2.⎁⹻ ⭫⊖⸣䐥⭫⍷ф ➝ Ⲻ ㌱

硅光电池短路时,其正负两电极间的电势差为零,此时通过硅光电池的电流则为短流电流。

为了避免用毫安表直接测量时,由于电表本身存在的内阻而对测量结果产生影响,这里采用电流补偿法测量硅光电池的短路电流。测量电路如图4.3.4所示。图中R1为电阻箱,R2为滑线电阻,G为检流计,S为检流计的开关,E为干电池。当硅光电池有光照射时,从检流计G的指针偏转方向来判断B、D两点电势的高低。通过调节R1、R2使B、D两点电势相等,BD支路中的补偿电流I c o m与光电流I opt大小相等、方向相反,检流计无电流通过,相当于硅光电池短路,此时通过毫安表的电流即为硅光电池的短路电流I sc。对不同的光照强度,硅光电池有不同的短路电流的值。

图4.3.4测量硅光电池短路电流电路图

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实验时,改变光源与硅光电池的距离r(取值与测硅光电池的开路电压时相同),测出相应的光电池的短路电流I sc。列表记录数据,作I sc-1/r2图线,并说明实验结论。

3. ➝ ж ,⹻ ⭫⊖䗉 ⦽ф䍕䖳⭫䱱Ⲻ ㌱

在图4.3.4所示电路的A D间接入电阻箱R作为负载电阻,测量电路如图4.3.5所示,用电流补偿法测量负载电流。保持光源与硅光电池的距离r0不变,改变负载电阻,测出相应的负载电流I。

图4.3.5测量硅光电池负载电流电路图

测量时,应安排好测量点的分布:可先根据该处的开路电压和短路电流,估算负载电

阻R r

0=U oc/I sc。在得出的R r

值附近,负载电阻的取值间隔要小;远离R r

值的负载电阻

的取值间隔可加大。

列表记录数据,并算出各输出功率I2R的值,作I2R-R曲线,求最佳负载电阻。说明曲线的意义。

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1.光源的电源输出电流不应过大,防止烧坏光源。

2.测量时光源应始终保持正对硅光电池,光源的电源输出电流保持不变。

3.接通检流计开关时,先碰接,同时观察检流计指针的偏转,在偏转不大、未超出标尺范围时,再将开关合上。

4.测量电流的过程中采用跟踪调试法,即改变距离的同时进行R1、R2的调节,使检流计指针的偏转始终不超出标尺范围。

5.如果不论怎样调节R1和R2都不能使检流计的偏转为零,则应检查硅光电池和干电池的极性是否连接正确,电路中的各个连接点是否接触良好。

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