光电材料与器件实验指导书

《光电材料与器件》

实验指导书

何宁编

桂林电子科技大学信息与通信学院

2008年12月

实验一光电池及LED光源特性测试

一．实验目的

1 理解光电池的光电转换机理及主要特性参数。

2 理解LED光源的电光转换机理、驱动方式及主要特性参数。

3 掌握两种器件的应用及参数的测试方法。

二．实验内容

1 测量光电池的开路电压、短路电流和伏安特性。

2 测量LED光源的驱动特性及电光转换效率。

三．实验原理

光电池是由一个面积较大的PN结构成，它是一种直接将光能转换成电能的光电器件，这种器件是利用光生伏特效应，当光线照射到P-N结上时，就会在P-N结两端出现电动势（P区为正；N区为负），若负载接入PN结两端，光电池就有功率输出。光电池对不同的波长的光反映的灵敏度是不同的，按制作材料不同可分为硅光电池和硒光电池，光谱特性如图1所示。

图1 光谱特性图2 光电特性

图1中硅光电池的光谱响应范围是波长4000Å——12000Å，在波长为8000Å时达到峰值，而硒光电池的峰值出现在5000 Å左右，波长的范围是3800——7500Å，1埃=0.1nm。

图2中硅光电池的开路电压与光照是一种非线性关系，当光照强度在200勒克斯时就趋向饱和。而短路电流在很大的范围内与光照成线型关系，因此使用光电池作为测量元件使用时，应该把它当成电流源的形式来研究，因为短路电流与光强是线性的，处理起来比较方便，而不要当成电压源使用。需要说明的是这里说的短路电流与开路电压与平时意义上不同，它是指外负载电阻相对与内阻非常小时候的电流值，以及外负载很大时的端电压。实验时外负载电阻<15Ω时，就认为是短路电流，而>5.0K时，就认为是开路电压。经实验证明外负载越小线性度越好。

不同颜色的光有不同的波长，因此光电池的光照频率也不同，光电池的频率特性是指输出电流随调制光的频率变化的关系，图3分别表示硅光电池与硒光电池的频率响应曲线，可见硅光电池有较好的频率特性，而硒光电池则较差。太阳能辐射能量主要集中在1.3-32um的波长范围，表面温度近6000K的

太阳能辐射出的能量95%以上的部分分布在波长小于2um的光谱范围。而对于温度为几百K的物体其辐射能主要集中在2-50um的红外波谱范围。

LED光源的发光过程是在正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。

白炽灯、卤钨灯光效为12-24流明／瓦，荧光灯50～70流明／瓦，钠灯90～140流明／瓦，大部分的耗电变成热量损耗。LED光效经改良后将达到达50～200流明／瓦，而且其光的单色性好、光谱窄，无需过滤可直接发出有色可见光，光源光谱特性见图4。

图3 光电池的频率特性图4 LED光源光谱特性

四．实验步骤

1．光电池测量

（1）将光电池板放置在太阳光模拟装置上，通过调整交流调压器改变光照强度。

（2）光电池负载特性测量，将交流调压器输出电压置于置于220V，测出此时光照度值，调整W1，测量不同阻值下光电池输出V---I的关系，按表1数据测量并记录。负载电阻在11---4100Ω改变。（3）光电池开路电压测量，调整W1使阻值为4K（负载电阻大于4.1K相当于开路），改变光照强度，按表2数据测量并记录，测量开路电压与光强的特性曲线。

（4）光电池短路电流测量，调整W1使阻值为15Ω（负载电阻小于15Ω相当于短路），改变光照强度，按表3数据测量并记录，与光强的特性曲线。

（5）对比不同光源在同一照度下光电池能提供的电流（白炽灯、节能灯、日光灯、磨砂灯）。

表3（回路电阻为15欧）

2. LED光源驱动测量

●直流驱动

（1）切换K3开关为直流驱动，调整W2使流过LED的电流按表4数据变化。

（2）测量LED端电压和发出的光强，并计算电光转换效率。

表4

（1）切换K2开关为外部信号输入，切换K3开关为脉冲驱动状态。

（2）设置信号源为B通道，波形为脉冲，频率为1KHz，幅度为3.5V。

（3）改变信号源脉冲占空比，使流过LED的电流按表4数据变化。

（4）用光照度计测量LED发出的光强，并计算电光转换效率。

（5）改变信号源频率，占空比为50％，按表6测量相应参数，分析各参数与频率变化的

趋势。