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1、 1 实实 验验 报报 告告 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
2、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 0exp( ) 1 PhDPh B qV IIIII nk T (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 SCPh II (2) 硅光
3、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 0 ln(1) SCB OC Ink T V qI (3) 硅光电池开路电压与照度特性见图 1 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 2 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
4、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 和入射光波长的关系曲线从图 4 中可看出，硅光电池的有效范围约在 4501100 nm 之间 硅光电池的灵敏度 K 为 ( ) ( ) ( ) ( ) P K T (4) 【数据记录与处理】 1. 硅光电池的照度（光强）特性硅光电池的照度（光强）特性 实验数据如下表： 角度数角度数 照度照度 短路电流短路电流 开路电压开路电压 230 335 122.0 0.420 240 314 114.5 0.418 250 277 101.3 0.415 260 225 84.8 0
5、.409 270 165.7 63.7 0.402 280 108.1 41.0 0.389 290 54.1 23.5 0.372 300 23.2 10.8 0.343 310 3.1 3.0 0.291 根据表中数据在 Origin 中作图如下： 3 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硅光电池的伏安特性 偏振片旋转0时 无偏置电压状态无偏置电压状态 反
6、向偏置电压状态反向偏置电压状态 U/V I U/V I 0.389 23.9 2.95 122.5 0.367 40.1 2.40 122.6 0.338 60.0 2.06 122.5 0.294 86.2 1.44 122.4 0.269 98.2 0.99 122.5 0.251 105.0 0.57 122.4 0.247 106.5 0.03 122.1 0.235 109.9 0.215 114.2 0.182 118.5 0.158 120.1 0.108 121.6 硅光电池的照度特性曲线 I U 4 偏振片旋转30时 无偏置电压状态无偏置电压状态 反向偏置电压状态反向偏置电压
7、状态 U/V I U/V I 0.400 10.0 2.89 93.0 0.385 20.4 2.55 93.0 0.357 39.3 2.01 92.9 0.333 53.6 1.56 92.9 0.319 61.4 1.08 92.8 0.300 70.7 0.54 92.7 0.289 75.2 0.03 92.6 0.276 79.9 0.251 86.4 0.221 91.3 0.136 95.7 0.060 96.5 偏振片旋转60时 无偏置电压状态无偏置电压状态 反向偏置电压状态反向偏置电压状态 U/V I U/V I 0.372 4.4 2.88 33.2 0.368 6.3
8、2.10 33.2 0.359 10.2 1.74 33.1 0.348 14.3 1.49 33.1 0.332 19.2 1.00 33.0 0.322 21.8 0.65 33.0 0.312 23.9 0.20 32.9 0.306 25.0 0.299 26.1 0.281 28.2 0.270 29.2 0.229 31.2 根据表中数据用 Origin 作图如下： 5 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。 【误差分析
9、】 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
10、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。 硅光电池的伏安特性曲线 U/V U/V I/A 0 60 30 反向偏压工作区 无偏压工作区 6 3. 在利用在利用图图 4 4（b b）测量硅光电池的反向偏压状态下伏安特性曲线时，如果稳压源接反会测量硅光电池的反向偏压状态下伏安特性曲线时，如果稳压源接
11、反会 出现什么结果出现什么结果？ 答：若将稳压源接反，外加电场会削弱硅光电池产生的电场。当外电压较小时，硅光电池仍 然可以看成是恒流源；但当外加电压过大时，电源有烧坏的可能。 4. 如果需要完成选做实验内容，请设计出实验方案。如果需要完成选做实验内容，请设计出实验方案。 答：将硅光电池接在电流表上，让光源（白色超亮发光二极管） ，通过不同的滤色片照射硅 光电池，记录各个电流值。根据硅光电池的光照特性曲线，短路电流和照度呈线性关系，因 此可以通过短路电流表示光强，再根据公式 ( ) ( ) ( ) ( ) P K T 式中( )( )T 、可以通过说明书查阅，然后计算不同波长时硅光电池的灵敏度。
12、 5. 请利用硅光电池的伏安特性实验数据分析总结硅光电池的输出电阻与光照的关系请利用硅光电池的伏安特性实验数据分析总结硅光电池的输出电阻与光照的关系. . 答： 输出电阻 r = = ln( 0 + 1) E 1 ln( 0 + 1) = ln( + 1)增长没有 = 快 r 随 E 的增大而减小，趋向于 0 这从实验数据也可以看出：根据第一部分中的实验数据计算出 r，作图如下： 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 050100150200250300350400 r/M E/Lux 硅光电池的输出电阻-光照曲线 7 6. 硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明 答：有。入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程 是需要反应时间的。可以尝试用最朴素的方法验证：在硅光电池上短接以小功率灯泡，在硅 光电池和灯泡之间放一块挡光板， 这样容易判断灯泡是否自身发光， 用另一灯泡照射硅光电 池，从侧面观察，如果灯泡同时亮起，说明没有滞后。