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1、硅光电池特性的研究实验人：林晔顺023012037 合作人：林宗祥 组号：A8【实验目的】1 设计简单的光路，研究硅光电池的主要参数和基本特性。2 设计使用硅光电池对有关参量进行探测的实验方法及其简单应用。【实验仪器】实验用具：电位差计、硅光电池（2DR65型，面积=15nm2，光强100mW/cm2,温度为20oC时，开路电压大于500mV，短路电流为3155mA，光谱峰值在0.451.1um范围内），光源，聚光透镜，检流计，滤色片，偏振片，开关等。【实验基本原理】光电池是一种光电转换元件，不用外加电源而能直接把光能转换成电能。它的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、硫化铊、硫化镉
2、等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。它有一系列的优点：性能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换效率高，能耐高温辐射等。同时它的光谱灵敏度与人眼的灵敏度最相近，所以，它在很多分析仪器、测量仪器、曝光表以及自动控制监测、计算机的输入和输出上用作探测元件，在现代科学技术中占有十分重要地位。本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作基本的了解和研究。硅光电池是一种PN结的单结光电池，当光照射到PN结时，由于光激发的光生载流子的迁移，使PN结两端产生了光生电动势，如果他与外电路中的负载接通，则负载电路中将由光电流产生。硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池，其中本实验中使用的2DR型硅光电池属于单晶硅
3、光电池。下圖是常用的硅光电池的外形及结构示意图，为提高效率，在器件的受光面上进行氧化，形成SiO2保护膜，以防止表面反射光，并且表面电极做成梳妆，减少光生载流子的复合机会。单晶硅光电池的转换率一般在10%左右，最高可达15%20%。目前，使用较广发的太阳能电池属于多晶硅光电池，转换率约为7%。多晶硅光电池采用价格低廉的多晶硅作材料，而且可用简单的真空涂镀法制造，其大小不受晶体的大小限制，可制作大面积光电池。图1 硅光电池的构造硅光电池的主要特性为：（1）硅光电池的主要参数和照度特性开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照度的特性曲线称为开路电压曲线。
4、短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路时所输出的光电流值称为短路光电流。光电流密度与照度的特性曲线称为短路电流曲线。图2为硅光电池的开路电压曲线和短路电流曲线，其中曲线1是负载电阻无穷大时的开路电压特性曲线，曲线2是负载电阻相对于光电池内阻很小时的短路电流特性曲线。开路电压与光照度的关系是非线性的，而且在光照度为20001x时就趋于饱和，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。 图2 硅光电池的光电特性 1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线（2）硅光电池的负载特性硅光电池的伏安特性与最佳匹配。随着负载电阻的变化，回路中电流I和硅光电池
5、两端的电压U相应地变化，称为硅光电池的伏安特性。当负载电阻取某一值时，其输出功率最大，这称为最佳匹配，此时所用的电阻称为最佳匹配电阻。硅光电池的内阻。从理论上可以推导出硅光电池的内阻等于开路电压除以短路电流。可以观察到光照面积不同时，硅光电池的内阻将发生变化。（3）硅光电池的转换效率。硅光电池的最大输出功率与输入光功率的比值称为硅光电池的光电转换效率。（4）硅光电池的光谱特性。在入射光能量保持一定的情况下，短路电流与不同的入射光频率（波长）之间的关系称为光电池的光谱特性。图3为硅光电池光谱特性曲线，从曲线可看出，硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可
6、以在很宽的范围内应用 图3 硅光电池光谱特性（5）硅光电池的温度特性。硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线表征了它的温度特性。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。图4为硅光电池的温度特性曲线，图中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降，短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。 图4 硅光电池温度特性 1开路电压 2短路电流【实验内容和步骤】（一） 测量硅光电池的光谱的响应特性 1. 把入射光挡掉，把检流计打到“1”挡，然后把检流计调到
7、零。2点亮白炽灯光源（12V），并把发光灯丝对焦成像在单色议的狭缝上面，使硅光电池接受的光电流不要超过检流计的刻度。3 以硅光电池为接受接收元件，转动波鼓为：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0cm，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm。在进行测量前，一定要把波鼓转到17.8的位置，检查光电流是否大小适当，不要超过检流计的量程。4 数据测三次，取平均值，把实验测得的数据列于表一。 表一 硅光电池的光谱响应特性读数/对应波长/
8、A光电流/格光电流123平均值I/ 17.8006235259.90256.45257.60257.9859.3361718.0006040215.05211.60212.75213.1349.0206718.2005860175.95172.50174.34174.2640.0805718.4005710142.60139.15140.30140.6832.3571718.6005565115.00111.55112.70113.0826.0091718.800544092.0089.7090.1690.6220.842619.000532573.6071.3071.7672.2216.61
9、0619.200522058.6557.5057.5057.8813.3131719.400511546.0044.8545.5445.4610.4565719.600501535.6535.5635.5635.598.185719.800492527.6027.6027.6027.606.34820.000484023.0021.8521.8522.235.11366720.400468513.8013.8013.8013.803.17421.00044876.906.906.906.901.58721.40043654.604.604.604.601.05821.80042603.452.
10、762.762.990.687722.60040801.841.841.841.840.423222.80040401.151.151.151.150.2645 根据表一的数据，以光波波长为横坐标，光电路强度为纵坐标，作硅光电池的光谱响应特性曲线，如图5所示图5 硅光电池的光谱响应特性曲线从硅光电池的光谱响应特性曲线可以看出，光电流在波长4000A到6200A的范围内，是随着波长的增长而逐渐的变大。（二） 测量硅光电池的负载特性 1、按图6连接好电路实验装置图6 测量硅光电池负载特性装置图2、盖住硅光电池的光入射口，把电流计调零。3、打开He-Ne激光器，正射到硅光电池上，测量不同负载电阻值下
11、的电流和电压值，并将实验数据列于表二表二 电阻与硅光电池的输出功率关系表电阻R/电流 I/mA电压 U/V功率P/w1000.5300.0500.0271500.4900.0690.0341980.4600.0870.0402250.4500.0960.0432490.4400.1030.0452710.4300.1100.0473000.4200.1180.0503240.4050.1240.0503500.3950.1310.0523760.3850.1360.0523980.3800.1420.0544260.3700.1490.0554480.3650.1530.0564730.355
12、0.1570.0565000.3500.1630.0575500.3400.1710.0585990.3250.1780.0586530.3100.1860.0586990.3000.1920.058根据表二的数据，以电阻为横坐标，输出功率为纵坐标，作电阻和输出功率的关系曲线，如图7所示图7 硅光电池的负载曲线由表二的数据及图7的负载曲线可以看出,当电阻为550时,硅光电池有最大输出功率，由于在实验中，R550之后的测量点太少，使到曲线的峰值不是很明显。实验中，光功率为，最大输出功率，所以硅光电池的转换效率【实验过程及现象记录】实验时间：2005-4-4 14：3018：00实验地点：十友堂二
13、楼光信息科学与技术专业实验室测量硅光电池的光谱的响应特性 放置好实验器件，并调节光路，适当调节单色仪的缝的大小。电流表调零：一开始把零点调到电流表的刻度零点，调节单色仪的缝的大小，使到转动波鼓为：17.8cm时，电流表刻度满偏，但是当波鼓为：21.8cm时，电流表读书已经为零。所以我们把零点调到电流表的负刻度上，这样既能提高测量的精度，也使到波鼓为：22.8cm时，电流表读数不为零。转动波鼓为：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0cm，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.
14、4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm，记录电流表的读数，数据测三次。测量硅光电池的负载特性在调节好光路及连接好电流之后，开始测量数据。实验室提供470K和50K两个可调电阻，由于不知道硅光电池的最佳匹配电阻值的数量级，所以对470K的电阻值进行地毯式测量，发现在电阻值为1K数量级以上时，电阻两端的电压基本不变，而电流随电阻变小而变大，输出功率一直随电阻的变小而变大。（地毯式的测量浪费了我们很多的实验时间）直到电阻小于1K的时候，才发现电压和电流都开始发生变化，测出最佳匹配电阻值为200，并记录下输出功率，完成实验。2005-4-8 做数据处理时发现实验中测量得到的输出功率是激光功率
15、的5倍！这是不可能的。2005-4-11 14：3017：00重新进行测量，实验中采用1K的电阻，提供测量精度，但仍然发现输出功率大于激光的功率，这说明在4月4日的实验中，并没有出现读数的错误，问题应该出在仪器上。所以我们对电流表和电压表进行检测，发现是数字电流计读数出现问题，其间我们用了两台数字电流计，都出现了读数的严重错误（具体原因还不清楚），最后改用万用表进行测量，读数结果才接近理论值。【实验建议和疑问】1实验中最好能提供可调电阻箱，这样方便于实验的测量于操作。而且最好注明硅光电池最佳匹配电阻的数量级（不要提供470K这样大的电阻），这样可以节省实验者的时间，腾出更多的时间在正确的范围内进行更精确的测量2实验中我们采用两个数字电流计，结果都出现了严重的读数错误（数量级的错误），为什么两个数字电流计都会同时出现这样的错误，是不是两个电流计都有问题，还是其他的原因造成的，这是实验之后存在的疑问。8