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综合设计实验小论文硅光电池特性研究摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。
硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。
本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。
2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。
（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流1 实验原理目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深入学习硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池的机理。
1.1 PN结的形成及单向导电性如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。
同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。
这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。
正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
【实验目的】1、初步理解硅光电池机理。
2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系。
3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系。
【实验原理】（原理概述，电学。
光学原理图，计算公式）在P 型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n 结（如图1），由于光照，在A 、B 电极之间出现一定的电动势。
在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不停地输出电流，这种现象称为光伏效应。
运用它制成的元器件称之为硅光电池。
光伏效应最重大的应用是能够将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题*。
从光伏效应的机理可知（见附录），硅光电池输出的电流I L是光生电流I P和在光生电压V p作用下产生的p-n 结正向电流I F之差，即I L=I P-I F。
根据p-n 结的电流和电压关系式中V P 是光生电压,I S 为反向饱和电流,因此输出电流此即光电流体现式。
普通I p>> I S，上式括号内的1 可无视。
对于硅光电池有外加偏压时，（1）式应改为上式中，就是p-n 结在外加偏压V作用下的电流。
图中的(a)(b)两条曲线分别表达无光照和有光照时硅光电池的I-V 特性，由此可知，硅光电池的伏安特性曲线相称于把p-n 结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了V OC和I SC。
实验表明：在V =0 状况下，当硅光电池外接负载电阻R L，其输出电压和电流均随R L变化而变化。
只有当R L取某一定值时输出功率才干达成最大值P m，即所谓最佳匹配阻值R L=R LB，v oc而R LB则取决于太阳能电池的内阻R i=I。
因V OC和I SC均随光照强度的增强而增大，所不同的是SCV OC与光强的对数成正比，I SC与光强(在弱光下)成正比，因此R i亦随光强度变化而化。
如图3所示。
V OC、I SC和R i都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率P m和V OC与I SC乘积之比FF 是表征硅光电池性能优劣的指标，称为填充因子。
硅光电池特性的研究实验报告2硅光电池基本特性的研究太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。
硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。
因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。
［实验目的］1 ?测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压U oc、最大FF3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J o 的关系，求出它们的近似函数关系；［实验原理］1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。
图2-1.半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区图2-1是半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。
当PN 结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN 结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，严严卜日日尊十妙於却寻6 邮GO十色十血◎日&84$*问角*@E內P零偏反偏卩型耗尽区超正偏势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN 结的单向导电性，电流方向是从P 指向No 2、硅光电池的工作原理太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。
硅光电池原理硅光电池是利用半导体材料的光电转换原理制成的太阳能电池，其主要成分是纯度高达99.999%的硅晶体。
硅晶体在受到光照下会产生能量传导的效应，从而转换为电流输出。
硅光电池的结构由p型和n型硅组成的p-n结构的太阳能电池。
p型硅和n型硅的本征半导体浓度不同，故在两种材料接触的地方形成一个pn结。
在这个结点区域中，p区的材料富余正离子，n区的材料富余负离子。
当硅光电池受到光照后，光子的能量会使得硅中的电子受激发而离开原来的位置，从而产生了电子空穴对。
在p-n结区域，受光子激发的电子在电场力的作用下会向n型硅离开p-n结，空穴反之。
这样，p-n结上面的电子和空穴的流动形成了一个电池的正负极，产生了电流和电压输出。
这种构成的太阳能电池是硅太阳能电池。
硅光电池中的输出功率密度是指在单位面积上输出电能的能量。
这个值可以通过将硅光电池的输出电压和输出电流相乘来获得。
硅光电池的输出功率密度与光电转换效率和太阳能电池的面积有关。
提高硅光电池的输出功率密度需要提高其光电转换效率或扩大太阳能电池的面积。
硅光电池是利用半导体材料的光电转换原理制成的太阳能电池。
硅光电池的机理是通过在p-n结区域中产生电子-空穴对，使得硅太阳能电池可以产生电流和电压输出。
硅光电池的光电转换效率和输出功率密度是两个关键性能指标，这些指标取决于许多因素，包括光照强度，温度和制造工艺等。
硅光电池是当前最为广泛应用的太阳能电池，其广泛应用是因为硅材料的独特性能。
硅材料的晶体结构为直接半导体，具有很好的光谱响应特性，同时还具有优良的电特性和化学稳定性。
与其他太阳能电池相比，硅光电池有许多优势，包括成本低廉、长期稳定性好、可靠性高以及容易大规模生产等。
硅光电池是目前最主要的太阳能电池之一，已经在许多国家和地区被广泛应用于太阳能发电场、太阳能家电和太阳能充电器等领域。
硅光电池的性能因素主要包括硅材料的质量、太阳辐射、温度、制造工艺和光谱响应等因素。
第22卷,第3期深圳大学学报理工版Vol 122,No 132005年7月JOURNAL OF SHE NZ HE N UN I V ERSI TY SC I E NCE AND E NGI N EER I N GJuly 2005文章编号:100022618(2005)0320226204收稿日期:2005201206作者简介:柴金龙(19632),男(汉族),浙江省江山市人,深圳大学工程师.E 2mail:chaijl@szu 1edu 1cn非、单晶硅太阳能电池组件比功率发电量比较柴金龙1,李 毅2,胡盛明2(1.深圳大学工程技术学院,深圳518060;2.深圳市创益科技发展有限公司,深圳518029)摘 要:为测试非晶硅和单晶硅太阳能电池组件的实际发电能力,设计了由电子模拟负载和直流安时计组成的发电量测量装置,对两种太阳能电池组件的发电量进行实验测试比较.提出比功率发电量这一物理量,直观表达太阳能电池组件的发电性能.实验表明,在晴天直射强光和阴雨天弱散射光环境下,非晶硅太阳能电池板的比功率发电量均大于单晶硅.关键词:非晶硅;单晶硅;太阳能电池;比功率发电量;电子模拟负载;散射光;弱光;光伏特性中图分类号:T M 615 文献标识码:A 天然能源的紧缺己成为制约各国经济发展的瓶颈.与此同时,常规能源所排放的二氧化碳对人类的生存环境产生了严重的负面影响.为此,许多国家加大了对再生能源的研究开展力度[1～3].我国是能源消耗大国,石油、煤炭等能源资源稀少,太阳能利用技术的研究有十分重要的意义.特别是具亚热带海洋性气候的深圳地区,一年中有三分之二时间为晴天,环保、价廉的太阳能电池开发显得更具实用价值.当前,衡量各种太阳能电池组件电性能的主要指标是在标准测试条件下的额定输出功率W p .由于光照变化,太阳能电池组件的输出功率也在不断变化,因此,在实际使用时,仅以额定输出功率衡量太阳能电池组件的电性能,不能完全反映其实际发电效能,对用户来说,更关心的是在户外条件下太阳能电池组件每瓦在一段时间的比额定功率发电量,包括这段时间内所有户外光照情况下的发电量总和,它能较好反映太阳能电池组件在应用中的实际发电能力.英国牛津大学地处纬度约30°,对非晶硅和单晶硅太阳能电池组件的比额定功率发电量进行了测试对比研究[1].由于地球上的纬度不同,日照和气候条件差别很大,而太阳能电池对日照条件非常敏感,因此,在某一地点得出的实验结论,在其他地点是否相同,尚需进一步验证,目前在亚洲地区尚未看到类似的测试对比研究.本文分别测试出在纬度约20°的深圳的非晶硅和单晶硅太阳能电池组件的比额定功率发电量,并对其结果进行比较分析.1 实验原理与方法太阳能电池的比额定功率发电量,是指一段时间内太阳能电池在户外实际光照条件下的总累积发电量与太阳能电池额定功率的比值,其定义为太阳能电池每瓦日均发电量.太阳能电池的额定功率为P m =U m I m .(1)其中,U m 和I m 分别代表最大功率输出点的工作电压和工作电流.其发电量为Q =∑Pm・△t =∫t 2t 1U m(t )I m(t )d t ,(2)其中,t 为测定时间.当U m 不变时,有 Q =U ∫t 2t 1I (t )d t .(3)定义日发电量 Q d =U ∫d ayI (t )d t .其比额定功率发电量为Y =Q d /P m =U∫d ayI (t )d t /U m I m.(4)本实验选择纬度约20°的深圳.选用sc35122非晶硅电池板,T160-36单晶硅电池板,采用定电压法分别测出非晶硅和单晶硅太阳能电池组件在典型户外天气条件下的总发电量.为了比较它们的比功率发电量,采用固定工作电压,测量一段时间的安时数,根据式(3)近似得到这段时间内的发电量,其中∫t 2t 1I (t )d t 为安时数.测量固定工作电压,由此算出这段时间的发电量.实验所用非晶硅电池板额定功率为15W ,单晶硅太阳能电池板额定功率为15W.为达到固定工作电压的目的,采用定电压电子模拟负载,测量电路如图1.由定电压电子负载模拟蓄电瓶的功能,即a -b 两端的电压稳定不变,随光强的不同时刻变化的发电电流△I 0通过电子负载电路的大功率管即散热器以热能散发,从而模拟蓄电瓶的功能.图1 直流安时计量配置图F i g 11 C i rcu it d i a gram of m ea sur i n g DC Ah实验配置了两套同样的仪器,功率均为15W ,分别测量非晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池组件的发电量.安时计的工作电源另设.为了在不同光强下记录安时数,采用定电压分段的方法,如在阴雨天,定电压取613V;在晴天,定电压取12165V.这样可以使太阳能电池尽量工作在最大功率输出点附近.根据Q =U∫I 1(t )d t +U ∫I 2(t )d t +…,可以分别算出所有阴雨天和晴天的总发电量日均发电量和比功率发电量.2 实验结果及分析本实验为30d,其中晴天和阴雨天各15d .根据电子模拟负载和直流安时计组成的发电量测量装置及实验方法,测得晴雨天非晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板的比功率发电量.在晴天以及强太阳光直射下,非晶硅和单晶硅太阳能电池板的比功率发电量分别为4173W ・h /(W ・d )和4101W ・h /(W ・d );在阴雨天,弱光、散射光照射下,非晶硅和单晶硅太阳能电池板的比功率发电量分别为1119W ・h /(W ・d )和0194W ・h /(W ・d ).我们认为,在晴天,非晶硅太阳能电池虽存在光衰减,但在室外强光照射下,电池板温度较高,由于非晶硅太阳能电池的负温度系数比单晶硅太阳能电池小得多,且高温非晶硅太阳能电池有退火作用,可部分抵消光衰减.此外,非晶硅材料的禁带宽度比单晶硅材料宽,所以非晶硅太阳能电池单节开路电压可达018V ,而单晶硅太阳能电池单体开路电压仅约0158V,在功率相同时,非晶硅太阳能电池表现出更好的供电和充电性能.因此,在强光下非晶硅太阳能电池板比单晶硅太阳能电池板的比功率发电量大.在弱光下出现这种差异的主要原因在于,太阳光的散射光谱成分不同于直射强光,据报道[1]太阳的散射光在550～600nm ,光谱辐照对非晶硅太阳能电池有利;如果室外弱散射光模型与室内一样,采用荧光灯光谱辐照模拟更能说明问题(图2).世界银行可再生能源项目发起的“薄膜太阳能电池试验电站”对模型进行了验证.图2 荧光灯辐射谱与a 2S i 、c 2S i 电池的光谱灵敏性F i g 12 Sen siti v ity of spectru m of a 2S i ,c 2S i sol ar celland fluorescen t li ght由图2可见,非晶硅太阳能电池的光谱响应灵敏度的峰值在550～600nm ,单晶硅太阳能电池的光谱响应灵敏度峰值约在700～900n m ,因此在弱散射光下,非晶硅太阳能电池的光谱灵敏度比单晶228 深圳大学学报理工版第22卷硅太阳能电池好得多,非晶硅太阳能电池表现出更好的光电转换性能,发电效能更高.表1为非晶硅和单晶硅太阳能电池在荧光灯下的光伏特性的对比数据.表1 非晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池在荧光灯下的光伏特性Table 1 PV properti es of am orphous sili con sol ar cell and m onocryst a lli n e sili con sol ar cell li ghted by fluorescen t l am p电池种类U oc /VJ sc /(μA ・cm-2)P m/(μW ・c m-2)FFa 2Si 014228177180165c 2Si012835195120151注:U oc 为开路电压;J sc 为短路电流密度;P m 为最大输出功率密度;FF 为填充因子;光照条件为荧光300lx .表2列出两种电池在强直射太阳光下的光伏特性,在阴雨弱散射光下,非晶硅太阳能电池自然比单晶硅太阳能电池的功率发电量大.表2 非晶硅太阳能电池和单晶硅太阳能电池在强直射太阳光下的光伏特性Table 2 PV properti es of am orphous sili con sol ar cell and m onocryst a lli n e sili con sol ar cell i rrad i a ted d i rectlyby i n ten si ve sun li ght电池种类U oc /VJ sc /(mA ・cm-2)P m/(mW ・c m-2)FFa 2Si 018012186170165c 2Si0158311613120172注:太阳光辐照度为100m W ・cm -2.结 语本文选取具有良好封装的非晶硅太阳能电池板并经稳化处理,其电性能已充分衰减并趋于稳定.通过实验对非晶硅太阳能电池板和单晶硅太阳能电池板在相同条件下的比功率发电量进行测试对比,结果表明,在纬度约20°的深圳,在晴天强光辐照下和在阴雨天弱散射光下,非晶硅太阳能电池板的比功率发电量均大于单晶硅太阳能电池的比功率发电量,说明在直射强光下和在弱的散射光环境下,非晶硅太阳能电池板的发电效能优于单晶硅太阳能电池板.目前,非晶硅太阳能电池板的生产成本约为单晶硅太阳能电池板的60%,因此,性价比高的非晶硅(薄膜)太阳能电池具有广阔的市场前景.参考文献:[1]Christian N.光伏比较:在欧洲南北部所做的11种光伏组件技术比较[A ].第17届欧洲光伏太阳能会议论文集[C ].慕尼黑:牛津大学,2001(英文版).[2]罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M ].北京:化学工业出版社,2005.2862298.[3]于培诺.薄膜太阳电池市场现状调查报告[R ].北京:全球环境基金/世界银行中国可再生能源开发项目办公室,2004.Abstract:100022618(2005)03202282EACo m par ison of spec i f i c y i eld of sol ar cell a sse m bli esmadefro m am orphous sili con andm onocryst a lli n e sili conCHA I J i n 2long 1,L I Y i 2,and HU Sheng 2m i n g21)College of Engineering and Technol ogyShenzhen University Shenzhen 518060P .R.China2)Shenzhen Tr ony Science and Technol ogy Devel opment Co L td,Shenzhen 518029P .R.ChinaAbstract:The power out put abilities of a mor phous silicon and monocrystalline silicon s olar cell asse mblies have beeninvestigated experi m entally.A po wer measure ment device made up with an electr onic si m ulati on l oad and a DC a m2 pere2hour meter has been designed,and a more straight f or ward s pecificati on of the power out put abilities has been p r oposed as the s pecific yield.The experi m ent results show that the s pecific yield generated by a mor phous silicon s o2 lar cell is al w ays more than that generated by monocrystalline silicon,whenever the s olar cell is irradiated directly by sunlight in sunny days or is put in the situati on of l ow dis persi on light in rainy days.Key words:a mor phous silicon;monocrystalline silicon;s olar cell;s pecific yield;electr onic si m ulati on l oad;dis2 persi on light;l ow intensi on light;P V2p r opertyReferences:[1]Christian N.P V2compare:D irect comparis on of eleven P Vtechnol ogies at t w o l ocati ons in Northern and Southern Eu2 r ope[A].Pr oceeding of the Seventeenth Eur opean Phot o2 voltaic Solar Energy Conference[C].Munich:University of Oxford,2001.[2]LUO Yun2jun,He Zi2nian,W ang Chang2gui.U tilizingTechnol ogy of Solar Energy[M].Beijing:China Che m icalI ndustry Press,2005.2862298(in Chinese).[3]Y U Pei2nuo.Survey of Status Quo of Fil m Solar CellM arket[R].Beijing:China Rep r oducible Energy Source Devel op2 ment Office of Gl obe Envir on ment Fund/World Bank,2004 (in Chinese).【中文责编:坪 梓;英文责编:卫 栋】・简 讯・深圳市花大力气普及科学常识近年来,深圳市不断加大科普投入,提升市民素质.2004年举办全市性的科普活动68次,投入科普经费2073万元,按当年常住人口598万人计算,人均科普经费支出3147元.2003年投入1709万元,按照当年常住人口557万人计算,人均科普支出3107元.深圳市除了承办每年一度的中国国际高新技术成果交易会和深圳国际文化产业博览会这两大科技文化盛典外,目前还建有深圳科学馆、宝安科技馆、深圳市少年宫和深圳市少儿科技馆等大型科技馆,建筑面积超过78000m2.其中,2004年落成的深圳市少儿科技馆建有“能源天地、科普王国、美丽家园和生命探索”四大主题科技展馆,以及“4D动感影院、球幕影院”两大科普电影院.200座的科普报告厅和2000多平方米的科技展厅.另外,深圳市的主要新闻媒体也开设了科普宣传栏目,如深圳电视台的《神奇的地球》、深圳电台的《快乐反斗星》节目等,以宣传生活中的科学和科学发明、大自然奇迹等内容,受到广大市民的欢迎.(坪 梓)。
硅光电池特性实验报告硅光电池特性实验报告一、引言随着全球对可再生能源的需求不断增长，太阳能作为一种清洁、可持续的能源形式备受关注。
而硅光电池作为最常见的太阳能电池类型，其特性研究对于提高太阳能发电效率具有重要意义。
本实验旨在探究硅光电池的特性，为太阳能发电技术的发展提供参考。
二、实验目的1. 研究硅光电池的光电转换效率。
2. 探究硅光电池的工作原理。
3. 分析硅光电池在不同光照强度下的发电性能。
三、实验材料与方法1. 实验材料：硅光电池、光源、电阻、电压表、电流表。
2. 实验方法：a. 将硅光电池与电阻串联，连接电压表和电流表。
b. 将光源照射在硅光电池上，记录电压表和电流表的数值。
c. 重复以上步骤，改变光源的光照强度，记录相应的数据。
四、实验结果与分析1. 光电转换效率：在实验中，我们通过测量硅光电池在不同光照强度下的电压和电流，计算出光电转换效率。
结果显示，光电转换效率随光照强度的增加而增加，但在一定范围内，增长速率逐渐减缓。
这表明硅光电池的光电转换效率受到光照强度的影响，但存在一定的限制。
2. 硅光电池的工作原理：硅光电池的工作原理基于光生电效应。
当光照射到硅光电池上时，光子与硅中的电子发生相互作用，导致电子从价带跃迁到导带，产生电流。
硅光电池中的p-n结构起到了分离电子和空穴的作用，使电子流向负极，空穴流向正极，从而产生电能。
3. 光照强度对发电性能的影响：实验结果显示，光照强度对硅光电池的发电性能具有明显影响。
随着光照强度的增加，硅光电池的电流和电压均增加，进而提高了发电效率。
然而，当光照强度超过一定阈值后，硅光电池的发电性能增长趋势趋于平缓。
这可能是由于光照过强导致光生电子和空穴的复合速度增加，从而限制了电流的进一步增加。
五、实验结论通过本实验的研究，我们得出以下结论：1. 硅光电池的光电转换效率受到光照强度的影响，但存在一定的限制。
2. 硅光电池的工作原理基于光生电效应，光照射到硅光电池上会产生电流。
YYSZXB36硅光电池与电荷耦合器件测量光强性能比较魏芳波1,王安福1,朱喜仲2,胡成香2(1.郧阳师范高等专科学校 物理与电子工程系,湖北丹江口442700;2.汉江集团 碳化硅公司,湖北丹江口442700) [摘 要]硅光电池与电荷耦合器件(CCD )均可作为光电探测器,但在测量光强时由于结构和制造过程的不同具有各自优势.从结构和基础差异的角度,结合测量激光参数,对二者的探测性能进行了比较. [关键词]硅光电池;CCD ;光电探测器;图像采集 [中图分类号]O472 [文献标识码]A [文章编号]1008—6072(2006)06—0036—03目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用,硅光电池是半导体光电探测器的一个基本器件,在一定时期得到广泛应用.近年来,由于电荷耦合器件(CCD )所具有的突出优点,使电荷耦合器件(CCD )的应用已深入到各个领域,现已成为跨行业、跨专业多方面应用的一种光电产品.两者均可作为光强探测仪器,在某些领域相互补充和相互交叉.研究硅光电池与电荷耦合器件(CCD )的测光性能不同点,可为我们在研究光学时选取元件做重要参考.1 硅光电池与CCD 的光电转换原理1.1 硅光电池的结构和工作原理硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元,硅光电池是一个大面积的光电二极管,它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能.图1硅光电池结构示意光电池的基本结构如图1所示,当半导体PN 结处于零偏或反偏时,在它们的结合面耗尽区存在同一内电场,当有光照时,入射光子将把处于价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,当在PN 结两端加负载时就有一光生电流流过负载.流过PN 结两端的电流为:I =I s (e eVkT -1)+I p(1)式(1)中I s 为饱和电流,V 为PN 结两端电压,T 为绝对温度,V 为产生的光电流.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 ;当光电池处于反偏时,流过PN 结的电流I =I p -I s ,因此,当硅光电池用作光电转换器时,光电池必须处于零偏或反偏状态.光电池处于零偏或反偏状态时,产生的光电流I p 与输入光功率P i 有以下关系:I p =RP i式(2)中P i 为输入光功率,R 为响应率,R 值随入射光波长的不同而变化,对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长.光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号,再经电流电压转换器把光电流信号转换成与之成正比的电压信号.比较光电池零偏和反偏时的信号,就可以测定光电池的饱和电流I s .1.2 CCD 的结构和工作原理CCD 的结构如图2[1]所示.CCD 是电荷耦合器件的简称,是20世纪70年代发展起来的新型半导体器件,是固体图像传感器中发展快速、用途广泛的一种[2].CCD 把外界物体的图像信号转换成电信号,即把入射到CCD 光敏面上的按空间位置分布的光强信息,转换为按时间顺序串行输出的视频信号,可在各种显示器上再现原物体的图像.2006年12月郧阳师范高等专科学校学报Dec.2006第26卷第6期Journal of Yunyang Teachers College Vol.26No.6[收稿日期]2006-09-12[作者简介]魏芳波(1977-),男,湖北十堰人,郧阳师范高等专科学校物理与电子工程系助教,主要从事学生思想政治教育和大学物理教学工作.YYSZXB37图2 CCD 结构图CCD 上感光组件的表面具有储存电荷的能力,并以矩阵的方式排列.入射到像元表面的光子产生的光电子以电荷的形式通过竖直和水平埋沟CCD 移位寄存器被送到单读出结点,在结点处,利用浮置技术将电荷转换成电压.如果某一图形成像于CCD 面上,经过后序电路的处理,可计算出图像各个位置的坐标.当其表面感受到光线时,会将电荷反应在组件上,整个表面上的所有感光组件所产生的信号,就构成了一个完整的画面.2 硅光电池与CCD 的特性2.1 硅光电池的特性硅光电池最重要的是光谱、频率响应及温度特性,由于硅光电池的光电流与照度之间存在严格的线性关系,同时采用了视觉校正和余弦校正,使它可以精确地测量照度值.从图3硒和硅的光谱特征曲线可看出,硅光电池应用的波长范围400nm -1100nm ,峰值波长在850nm 附近[3],因此硅光电池可以在很宽的波长范围内应用.在强光照射或聚光照射情况下,必须考虑光电池的工作温度及散热措施.通常硅光电池使用的温度不允许超过125℃.光电池是一种自发电式的光电元件,它受到光照时自身能产生一定方向的电动势,在不加电源的情况下,只要接通外电路,便有电流通过.光电池在不同的光照度下,光生电动势和光电流是不相同的.开路电压与光照度的关系是非线性的,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.因此检测连续变化的光照度时,应当尽量减小负载电阻,使光电池在接近短路的状态工作,也就是把光电池作为电流源来使用.光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入.光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系.由于光电池PN 结面积较大,极间电容大,故频率特性较差.但作为光电池的硅光电池相对具有较高的频率响应.光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况,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,只需采用简单的措施进行补偿.由于硅光电池的性能优越,照度测量使用的照度计采用的就是硅光电池.硅光电池工作性能稳定,光电转换效率高,使用寿命长,不产生污染等优点,在航天技术、气象观测、工农业生产乃至人们的日常生活等方面都得到了广泛的应用[4].图3硅光电池光谱特性2.2 CCD 器件的特性CCD 器件重要的参数之一是分辨率.在过去的几十年,硅光电池是人们喜爱的测量仪器之一,但需要人眼瞄准和读数,会产生一些人为的误差.从而像CCD 这种电子数显仪器逐步发展起来[5].在实际应用当中我们关心的清晰度指水平清晰度,例如黑白摄像机的分辨率一般为380～600,彩色为380～480,其值越大成像越清晰,对于科研中图像处理等特殊场合,用600线的摄像机能得到更清晰的图像.灵敏度(也称最低照度)通常用其lx 表示,例如某一摄像机的最低照度为0.1lx [6].CCD 另一个重要参数是信噪比.光子射出噪声是由于光子随机射到探测器上而产生的噪声,用Nsig 均方根噪声电子表示,其中Nsig 是积分时间内所收集到的光电子的总量,它由量子效率和入射光子数Nph 之积决定.原色CCD 的优势在于画质锐利,色彩真实,但缺点则是噪声问题.因此,一般采用原色CCD ,在ISO 感光度上多半不会超过400.相对的,补色CCD 多了一个Y 黄色滤色器,在色彩的分辨上比较仔细,但却牺牲了部分影像的分辨率,而在ISO 上,补色CCD 可以容忍较高的感光度,一般都可设定在800以上.由于采用了埋沟结构,因此,CCD 中的转移噪声可以忽略.通常采用相关双采样读出处理器(CDS )以消除浮置扩散复位噪声、滤掉SF 噪声.CDS 既对1/f 噪声起高通滤波器的作用,同时又限制白噪声对截止频率的影响.因此在CCD 中,如果使用CDS ,则读出噪声主要由SF MOS 白噪声决定,噪声带宽由视频信号输出速率决定.CCD 的这种集光电转换和自扫描于一体的功能及其灵敏度高、光谱响应范围大、动态范围大、成本低的优点,使CCD 目前已经成为现代光电子学和现代测试技术中应用广泛的光传感器件.3 在测量激光光强实验中的比较在测量氦氖激光光斑的光强来研究激光参数时,分别使用硅光电池摄像头和CCD图像摄像机测量光强.对应两种不同方式,一是机械扫描法;另一是CCD面阵列探测器法.在测量激光光强一般选用氦氖激光,因为氖激光束光斑小且圆,激光的光强分布明显.硅光电池价格便宜,转换效率高,寿命长.由于硅光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围,所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它.在作为光电转换元件,可连接数字式检流计测量光电转换后的光电流值,其性能稳定,反应快,操作简便,读数准确直观.主要用来测量一维光强的分布,根据硅光电池光谱特性和数字式检流计的最小读数可确定光强的测量的范围和精确度.在测量时尽量减少震动和电磁场的干扰.CCD面阵列探测器法特点是一次采样获取所需的全部数据[7],可配备相关软件使用.和硅光电池相比,CCD 的优点是:1)视频信号经信号处理易与计算机连接,能实现数据的自动采集、计算和记录;2)基本上不保留残像,不受电磁干扰影响,温度适应性相对提高;3)像元尺寸的几何精度高;4)可同步测量被测对象不同位置的光强;5)可克服光源光强不稳定引起的误差.另外,由于CCD能够同时获取配测表面的亮度和相位信息,一次将CCD和计算机图像处理技术与传统的三维表面非接触光学测量方法相结合,可实时测量物体的形变、振动和外形[8].对于CCD来说,要考虑测量尺寸,光源的选择要考虑其发射光谱与CCD的光谱响应范围对应,最好是对应响应峰值附近,这是CCD使用的一个局限性.对于光源来说,激光光斑的能量分布通常是按高斯曲线分布的,但光斑通常由于各种原因出现不均匀现象,为减小对CCD接受信号产生的影响,需减小输入信号大小或改善光斑质量;其次光源发光要稳定,照明方向要有利于反映待测物的特征信息,使所需要的特征光信息和非特征光信息有较大差别,且界限分明、正确[9].4 结论硅光电池器件价格便宜,原理简单,操作方便,受信号均匀性等因素引响较小,在光学试验研究当中普遍使用. CCD技术能够提供很好的探测性能,具有一些硅光电池光电探头不可替代的优点,在一些高端应用是首选器件.但费用高、能生产最好产品非常有限等因素制约了CCD 应用的扩大.通过对光电转换设备性能的初步讨论,结合实际的研究对象以及实验条件等要求,借鉴不同的优势,灵活选用仪器.[参考文献][1]宋 敏.CCD与CMOS图像传感器探测性能比较[J].半导体光电,2005,(1).[2]武利翻.CCD制造的关键工艺[J].光电技术应用,2005,(1).[3]丁喜波.光电式传感器原理及其应用[J].传感器技术,1996, (5).[4]李汉军.光电池原理及其应用[J].现代物理知识,1999,(3).[5]孙忠林.CCD的原理及在其计量领域中的应用简介[J].计量技术,1997,(7).[6]刘 崧.CCD摄像机原理及应用[J].中国有线电视,2005, (14).[7]胡庆云.激光参数综合测量研究[J].济南大学学报,1996, (3).[8]刘 征.国外CCD监测技术在工业中的应用与发展[J].工业仪表与自动化装置,2005,(4).[9]康红俊.CCD测量系统及应用时注意的几个问题[J].河北工业科技,2004,(3).【编校:胡军福】L i ght I nt e nsit y Pe rf or ma nce Co mp a ris o n bet wee n Silico nPh ot oelect ric Ge ne rat or a n d CCDWEI Fang-bo1,WAN G An-f u1,ZHU Xi-zhong2,HU Cheng-xiang2(1.Department of Physics and Electronic Engineering,Yunyang Teachers’College,Danjiangkou442700,China;2.Carborundum Company of Hanjiang Group,Danjiangkou442700,China)Abst ract:Both silicon photoelectric generator and CCD can be used as photo detector;however,they have their re2 spective advantages for their different structure and manufacturing process.This article,f rom the perspectives of struc2 ture and basic difference and combining with measuring laser parameter,makes a comparison of detecting performance be2 tween them.Ke y wor ds:silicon photoelectric generator;CCD;photo detector;photo collectingYYSZXB38。
