硅光电池特性的研究

实 验 报 告

姓 名：dsffss 班 级：F1000000 学 号：5100000000 实验成绩： 同组姓名： 实验日期：2011-10-10 指导老师：助教15 批阅日期：

硅光电池特性的研究

【实验目的】

1. 了解硅光电池的工作原理及其应用； 2. 研究硅光电池的主要参数和基本特性．

【实验原理】

1．硅光电池的照度特性

硅光电池是属于一种有PN结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向 P区和N区集结，使PN结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．

（1）硅光电池的短路电流与照度关系

当光照射硅光电池时，将产生一个由N区流向P区的光生电流IPh，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流 ID，此电流方向从P区到N区，与光生电流相反，因此实际获得电流I为

I?IPh?ID?IPh?I0[exp(qV)?1] nkBT(1)

式中V为结电压，I0为二极管反向饱和电流，I Ph是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n为理想系数，是表示PN结特性的参数，通常在1-2之间，q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，T为绝对温度．在一定照度下，当光电池被短路（负载电阻为零），V = 0，由（1）式可得到短路电流

ISC?IPh

(2)

硅光电池短路电流与照度特性见图 1．

（2）硅光电池的开路电压与照度关系

当硅光电池的输出端开路时，I = 0，由（1）与（2）式可得开路电压

VOC?

硅光电池开路电压与照度特性见图 1．

InkBTln(SC?1) (3) qI0 2．硅光电池的伏安特性

当硅光电池接上负载R时，硅光电池可以工作在反向偏置电压状态或无偏压状态．它 的伏安特性见图 2．图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：

（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）； （2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大．

~ 1 ~

由图 2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流 IPh，在电压轴上的

截距即为开路电压VOC．

3．硅光电池的光谱响应．

图3为硅光电池的光谱特性曲线．即相对灵敏度Kr 和入射光波长λ的关系曲线．从图 4中可看出，硅光电池的有效范围约在 450—1100 nm之间．

硅光电池的灵敏度K为

K(?)?P(?)

?(?)T(?)??(4)

【数据记录与处理】

1. 硅光电池的照度（光强）特性

实验数据如下表： 角度数 照度 短路电流 开路电压 ?? 230 240 250 260 270 280 290 300 310 335 314 277 225 165.7 108.1 54.1 23.2 3.1 122.0 114.5 101.3 84.8 63.7 41.0 23.5 10.8 3.0 0.420 0.418 0.415 0.409 0.402 0.389 0.372 0.343 0.291

根据表中数据在Origin中作图如下：

~ 2 ~

硅光电池的照度特性曲线 ?? ?? ?? ???? I U

从图中可以看出，硅光电池的短路电流和光照强度呈线性关系，随着光照增大，短路电流增大。短路时负载为0，短路电流等于光生电流，说明光生电流的大小和照度呈正比。同时还能够发现硅光电池的开路电压也随光照强度的增大而增大，但是照度越强，改变量越小。

2. 硅光电池的伏安特性

偏振片旋转0°时 无偏置电压状态 U/V 0.389 0.367 0.338 0.294 0.269 0.251 0.247 0.235 0.215 0.182 0.158 0.108

反向偏置电压状态 U/V 2.95 2.40 2.06 1.44 0.99 0.57 0.03 I 122.5 122.6 122.5 122.4 122.5 122.4 122.1 I 23.9 40.1 60.0 86.2 98.2 105.0 106.5 109.9 114.2 118.5 120.1 121.6 ~ 3 ~

偏振片旋转30°时 无偏置电压状态 U/V I U/V 反向偏置电压状态 I 0.400 0.385 0.357 0.333 0.319 0.300 0.289 0.276 0.251 0.221 0.136 0.060

偏振片旋转60°时 无偏置电压状态 U/V 10.0 20.4 39.3 53.6 61.4 70.7 75.2 79.9 86.4 91.3 95.7 96.5 2.89 2.55 2.01 1.56 1.08 0.54 0.03 93.0 93.0 92.9 92.9 92.8 92.7 92.6 反向偏置电压状态 U/V I I 0.372 0.368 0.359 0.348 0.332 0.322 0.312 0.306 0.299 0.281 0.270 0.229 4.4 6.3 10.2 14.3 19.2 21.8 23.9 25.0 26.1 28.2 29.2 31.2 2.88 2.10 1.74 1.49 1.00 0.65 0.20 33.2 33.2 33.1 33.1 33.0 33.0 32.9

根据表中数据用Origin作图如下：

~ 4 ~

U/V U/V

60°

反向偏压工作区

30°

无偏压工作区

0°

I/μA

观察图像可知，反向偏压状态时，硅光电池的输出电流不随电压的变化而变化，可以视为恒电流，其大小和光照强度有关，光照强度越大电流越大。在无偏压状态时，电流随正向电压的增大而减小，电流和电压呈非线性关系。

硅光电池的伏安特性曲线 【误差分析】

1. 由于硅光电池对于光照非常敏感，自己和其他同学的手电筒的照射会造成实验误差 2. 读数时，要注意调整光强计的量程，以便获得更精确的实验数据

3. 偏振片的角度无法固定，若不小心碰到会造成偏振片在竖直方向上的转动，可能会引起

误差

4. 实验中若有灰尘分布在光强计或硅光电池表面，就无法得出真实的光强，影响实验结果

【思考题】

1. 为什么可以通过测量取样电阻的电压值得到此时的短路电流值？ 答：因为取样电阻的阻值相对于硅光电池的内阻非常小，可以近似认为通过取样电阻的电流就是硅光电池的电流就是硅光电池的短路电流。由欧姆定律，可以通过测量取样电阻的电压值计算得到通过其的电流，即短路电流。当然，在实验中实际采用的是直接通过数字电流表测量短路电流。

2. 实验时光源的相对光强发生了变化，对测量结果有何影响？

答：如果实验时光源的强度发生了变化，得到的数据将不在一条伏安特性曲线上，这样作图的曲线会不光滑，影响实验结果。

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