硅光电池特性的研究

KGD-Ⅱ型硅光电池特性

实验仪使用说明书

西安超凡光电设备有限公司

KGD-Ⅱ型硅光电池特性实验仪

一、实验目的

1．了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性，自己设计、连接光路和电路进行实验操作。

2．研究硅光电池在光照下产生的光电流，光伏电压与输入光信号的关系。

3．研究硅光电池的输出特性。

4．测定硅光电池的频率响应。

二、仪器组成

实验仪由发光二极管的驱动和调制电路，发送光强度指示，硅光电池及I/V 转换模块、接收光强度指示、电阻箱等组成。KGD-Ⅱ型在Ⅰ型的基础上增加了函数信号发生器，将实验配套设备减少到只需一台双踪示波器。

三、实验原理

1、引言

硅光电池是一种能量转换器，它能直接把光能转换为电能。它也是一种将变化的光信号直接转换成相应变化的电信号的光电转换器件。硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元。硅光电池具有光电转换效率高、性能稳定、使用寿命长、重量轻、耐高温辐射、光谱范围宽、频率响应好、使用方便等优点。在数码摄像、光通信、太阳能电池等领域得到广泛应用，在现代科学技术中占有十分重要的地位。

2、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。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产生电子——空穴对。图1是普通N/P

型硅光电池结构示意图。当半导体PN 结处于零偏或负偏时，它们的结合面耗尽区存在一内电场。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

⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp 1KT eV I e I I s kT ev s (1)

式（1）中I 为流过二极管的总电流，I s 为反向饱和电流，e 为电子电荷，

k 为波尔兹曼常量，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。

图1 光电池结构示意图

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，从而产生光伏电压。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：

P s P kT ev s I KT eV I I e I I +⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎪⎭⎫ ⎝⎛=+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=1exp 1 （2）

此式表示硅光电池的伏安特性。式（2）中，I p 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=I p ；当光电池处

于负偏时（例如取V=-5V ），流过PN 结的电流I=I p +I SO 。因此，当光电池用作光

电转换器件时，光电池必须处于零偏或负偏状态。比较（1）式和（2）式可知，硅光电池的伏安特性曲线相当于把普通二极管的伏安特性曲线向下平移。

硅光电池的伏安特性曲线如图2所示。当电池不受光照时，起一个二极管的作用，外加电压与电流间的关系称为光电池的暗特性。光电池的正向电阻与反向电阻相差很大。光电池的电阻不仅在受光照时与未受光照时不同，而且还受入射光强度不同而变化，入射光强度越大，光电池电阻越小。

如果光照恒定，当光电压增加到P —N 结的正向电流全部抵消了光电流时，光电压不再增大，达到一稳定状态，与之相对应的光生电压称为光电池的开路电压，用U oc 表示，如图2所示。图中I sc 为光电池的短路电流。光电池两端短

路时，光生电流全部流入外电路，不可能在P-N 结两边形成载流子的积累，光电压为零。这时通过外电路的电流称为短路电流。它是光电池在一定光照射下，外电路中所能得到的最大电流，在不考虑其它损耗的情况下，短路电流I SC 与光

电流I

L 相等。理论分析表明，短路电流I

SC

随光强线性增加，而开路电压U

OC

随

光强呈对数增加。如图3所示。

图2 硅光电池的I—U特性曲线

3、硅光电池的输出特性

在一定的光照条件下，硅光电池的输出特性曲线如图4所示。当硅光电池

通过负载R

L 闭合后，R

L

从0变到无穷大时，输出电压则从0变压U

oc

，同时输出

电流从I

sc

变到0，由此可得电池的输出特性曲线。曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵横座标，即为工作电流和工作电压。两者的乘积 P=IU （3）

为电池的输出功率，I

mp 、U

mp

为该电池的最佳工作点，故最大输出功率为

P

max =I

mp

×U

mp

（4）

四、实验内容与步骤

1、硅光电池特性实验仪电路

硅光电池特性实验仪框图如图5所示。超高亮度发光二极管（LED）在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面，偏置选择开关可分别打到零偏、负偏或负载。

图5 硅光电池特性实验仪框图

某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴和电子在PN结复合时将产生特定波长的光。用这种材料制成发光二极管。LED输出的光功率P与驱动电流的关系由式（5）确定：

P=ηE

p

I/e （5）

式（5）中，η为发光效率，E

p

为光子能量，e为电子电荷常数。

输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。实验仪采用的发光二极管驱动和调制电路框图如图6所示。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动电流调节范围为0～20毫安，对应面板上的光发送强度驱动显示值为0～2000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随器隔离后耦合到放大环节，与