硅光电池特性实验数据及作图分析

实验七硅光电池特性光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。

光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。

其中最受重视、应用最广的是硅光电池。

硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。

它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。

所以，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。

通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。

具有十分重要的意义。

【实验目的】1．掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。

2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。

3．掌握硅光电池的工作原理及负载特性。

【实验仪器】1．THKGD-1型硅光电池特性实验仪。

2．函数信号发生器。

3．双踪示波器。

【实验原理】1．引言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。

THKGD-1型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。

2．PN结的形成及单向导电性采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。

如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。

PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。

如图7-1所示，Θ代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电； 代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。

实验5 硅光电池基本特性的研究硅光电池又称光生伏特电池，简称光电池.它是一种将太阳或其他光源的光能直接转换成电能的器件.由于它具有重量轻、使用安全、无污染等特点，在目前世界性能源短缺和环境保护形势日益严峻的情况下，人们对硅光电池寄予厚望.硅光电池很可能成为未来电力的重要来源，同时，硅光电池在现代检测和控制技术中也有十分重要的地位，在卫星和宇宙飞船上都用硅光电池作为电源.本实验对硅光电池的基本特性做初步研究.一.实验目的1. 了解硅光电池的基本结构及基本原理.2. 研究硅光电池的基本特性：3．硅光电池的开路电压和短路电流以及它们与入射光强度的关系;4．硅光电池的输出伏安特性等。

二. 实验仪器YJ-CGQ-I典型传感特性综合实验仪、光源、负载电阻箱.数字万用表.连接线1. 实验装置实验装置由光源和硅光电池两部分组成, 如图1所示.图12. 负载电阻箱如图2所示.图2三. 实验原理1.硅光电池的基本结构.硅光电池用半导体材料制成，多为面结合PN结型，靠PN结的光生伏特效应产生电动势.常见的有硅光电池和硒光电池.在纯度很高、厚度很薄（0.4mm）的N型半导体材料薄片的表面，采用高温扩散法把硼扩散到硅片表面极薄一层内形成P层，位于较深处的N层保持不变，在硼所扩散到的最深处形成PN结.从P层和N层分别引出正电极和负电极，上表面涂有一层防反射膜，其形状有圆形、方形、长方形，也有半圆形.硅光电池的基本结构如图3所示.图32.硅光电池的基本原理当两种不同类型的半导体结合形成PN结时.由于分界层（PN结）两边存在着载流子浓度的突变，必将导致电子从N区向P区和空穴从P区向N区扩散运动，扩散结果将在PN结附近产生空间电荷聚集区，从而形成一个由N区指向P区的内电场.当有光照射到PN结上时，具有一定能量的光子，会激发出电子-空穴对.这样，在内部电场的作用下，电子被拉向N区，而空穴被拉向P区.结果在P区空穴数目增加而带正电，在N区电子数目增加而带负电，在PN结两端产生了光生电动势，这就是硅光电池的电动势.若硅光电池接有负载，电路中就有电流产生.这就是硅光电池的基本原理.单体硅光电池在阳光照射下，其电动势为0.5-0.6V，最佳负荷状态工作电压为0.4-0.5V，根据需要可将多个硅光电池串并联使用.3.硅光电池的光电转换效率硅光电池在实现光电转换时，并非所有照射在电池表面的光能全部被转换为电能.例如，在太阳照射下，硅光电池转换效率最高，但目前也仅达22%左右.其原因有多种，如：反射损失；波长过长的光（光子能量小）不能激发电子空穴对，波长过短的光固然能激发电子-空穴对，但能量再大，一个光子也只能激发一个电子-空穴对；在离PN较远处被激发的电子-空穴对会自行重新复合，对电动势无贡献；内部和表面存在晶格缺陷会使电子-空穴对重新复合；光电流通过PN结时会有漏电等.4. 硅光电池的基本特性4.1 硅光电池的开路电压与入射光强度的关系硅光电池的开路电压是硅光电池在外电路断开时两端的电压，用U∞表示，亦即硅光电池的电动势.在无光照射时，开路电压为零.硅光电池的开路电压不仅与硅光电池材料有关，而且与入射光强度有关，而且与入射光强度有关.在相同的光强照射下，不同材料制做的硅光电池的开路电压不同.理论上，开路电压的最大值等于材料禁带宽度有1/2.例如，禁带宽度为1.1eV的硅做硅光电池，开路电压为0.5-0.6V.对于给定的硅光电池，其开路电压随入射光强度变化而变化.其规律是：硅光电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢.4.2 硅光电池的短路电流与入射光的关系硅光电池的短路电流就是它无负载时回路中电流，用I SC表示.对给定的硅光电池，其短路电流与入射光强度成正比.对此，我们是容易理解的，因为入射光强度越大，光子越多，从而由光子激发的电子-空穴对越多，短路电流也就越大.4.3在一定入射光强度下硅光电池的输出特性当硅光电池两端连接负载而使电路闭合时，如果入射光强度一定，则电路中的电流I和路端电压U均随负载电阻的改变而改变，同时，硅光电池的内阻也随之变化.硅光电池的输出伏安特性曲线如图4所示.图4中，I SC 为U =0，即短路时的电流，I SC .U∞为I=0，即开路时的路端电压，也就是硅光电池在该入射光强度下的开路电压，曲线上任一点对对应的I 和U 的乘积（在图中则是一个矩形的面积），就是硅光电池在相应负载电阻时的输出功率P .曲线上有一点M ，它的对应I mp 和U mp 的乘积（即图中画斜线的矩形面积）最大.可见，硅光电池仅在它的负载电阻值为U mp 和Imp 值时，才有最大输出功率.这个负载电阻称为最佳负载电阻，用R mp 表示.因此，我们通过研究硅光电池在一定入射光强度下的输出特性，可以找出它在该入射光强度下的最佳负载电阻.它在该负载电阻时工作状态为最佳状态，它的输出功率最大.4.4硅光电池在一定入射光强度下的曲线因子（或填充因子）F ·F曲线因子定义式为F ·F =（U mp I mp ）/（U ∞I SC ）我们知道，在一定入射光强度下，硅光电池的开路电压U ∞和短路电流I SC 是一定的.而U mp 和I mp 分别为硅光电池在该入射光强度下输出功率最大时的电压和电流.可见，曲线因子的物理意义是表示硅光电池在该入射光强度下的最大输出效率.从硅光电池的输出伏安特性曲线来看，曲线因子F ·F 的大小等于斜线矩形的面积（与M 点对应）与矩形I SC U ∞的面积（与M 点对应）之比.如果输出伏安特性曲线越接近矩形，则M 与M ′就越接近重合，曲线因子F · F 就越接近1，硅光电池的最大输出效率就越大.四．实验内容与步骤1. 硅光电池基本常数的测定(1) 测定在一定入射光强度下硅光电池的开路电压U∞和短路电流ISC.调节光源与硅光电池处于适当位置不变.b.测出硅光电池的开路电压U∞c.测出硅光电池的短路电流ISC.(2) 测定硅光电池的开路电压和短路电流与入射光强度的关系.a.光源与硅光电池正对时，测出开路电压U∞1和短路电流ISC1.b.转动硅光电池一定角度（如15o）测出U∞2和ISC2.c.转动硅光电池角度为30o、45o、60o、75o、90o时，测出不同位置下的U∞和ISC.d. 自拟数据表格，并用坐标纸画出ISC—Ө及U∞—Ө曲线.2. 在一定入射光强度下，研究硅光电池的输出特性.保持光源和硅光电池处于适当的位置不变，即保持入射光强度不变.(1) 测量开路电压U∞和短路电流ISC.(2) 分别测出不同负载电阻下的电流I和电压U.(3) 根据U∞、ISC及一系列相应的R、U、I值.填入自拟表格中.(4) 计算在该入射光强度下，与各个R相对应的输出功率P=IU，求出最大输出功率P max，以及相应的硅光电池的最佳负载电阻Rmp、Ump、Imp值.(5) 作P—R及输出伏安特性I—U曲线.(6) 计算曲线因子F·F=（UmpImp）/(U∞ISC).。

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 /J0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。

零偏反偏正偏图 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，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N 。

U/V 00.050.100.200.250.300.350.400.450.48I/mA0.010.020.080.150.300.62 1.46 4.298.81R L /Ω050100150200250300350400450U/V 00.0190.0380.0570.0750.0920.1090.1240.1390.153I/mA 0.400.390.380.380.370.360.360.350.350.34P/mW 00.007410.014440.021660.027750.033120.039240.043400.048650.05202R L /Ω500550600650700750800850900950U/V 0.1650.1760.1860.1960.2040.2110.2180.2230.2290.234I/mA 0.330.320.310.300.290.280.270.260.250.24P/mW 0.054450.056320.057660.058800.059160.059080.058860.057980.057250.05616R L /Ω10002000300040005000600070008000900010000U/V 0.2380.2790.2900.2970.3000.3020.3030.3040.3050.305I/mA 0.240.150.100.070.060.050.050.040.040.03P/mW0.057120.041850.029000.020790.018000.015100.015150.012160.012200.00915表1　全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性表2　在不加偏压时，太阳能电池在光照时的输出特性图1：光照下太阳能电池输出电流与输出电压的关系y = 0.003e 15.28x R² = 0.9900.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00 10.00 0.000.100.200.30 0.40 0.50 0.60I /m AU/V由)1(-=U o e I Iβ知，当U 较大时，1>>βμe ，即可近似为U o e I I β=，经数据拟合可以得到：1286.15-=Vβ，mA I 30108.3-⨯=，相关系数r = 0.99519。

硅光电池特性及应用研究一、 实验目的1. 了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性。

2. 测量太阳能电池板的负载特性及短路电流SC I 、开路电压OC U 并计算最大输出功率mp 和填充因子FF 。

二、 实验仪器硅光电池，太阳能电池板，光学导轨及支座附件，光源，电源，光功率计，聚光透镜，5图1三、 实验原理太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。

目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。

利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。

太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。

本实验通过对太阳能电池的电学性质和光学性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。

硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：)1(-=U o e I I β， (1)(1)式中，oI 和β是常数。

由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。

E C 为半导体导电带，E V 为半导体价电带。

当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。

电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。

图2假设硅光电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图3所示。

图3图3中，ph I 为硅光电池在光照时该等效电源输出电流，d I 为光照时，通过硅光电池内部二极管的电流。

由基尔霍夫定律得：0)(=---+sh d ph s R I I I U IR ， （2）（2）式中，I 为硅光电池的输出电流，U 为输出电压。

由（2）式可得，d shph sh s I R U I R RI --=+)1(， （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，硅光电池可简化为图4所示电路。

北京工业大学机械工程及应用电子技术学院测试技术基础实验报告姓名：学号：同组成员：成绩：2015.12实验七硅光电池特性测试实验一、实验目的1.深入了解光敏二极管的工作原理、基本结构、性能及应用2.了解NI数据采集卡的基本应用3.了解利用虚拟仪器进行信号处理的方法二、实验仪器光电传感器实验模块、恒流源、直流稳压电源、数显单元、NI数据采集卡等。

三、实验原理光敏二极管也叫光电二极管。

光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，它的核心部分是一个PN结。

为了便于接受光照，PN结面积较大，电极面积较小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管主要利用光电效应，当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。

当光照射半导体材料表面是，会被这些材料内的电子吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子会挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子叫光电子，这种现象称为光电子发射或外光电效应。

当外加偏置电压与结内电场方向一致，PN结及其附近被光照射时候，就会产生载流电子（及电子-空穴对）。

结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区形成光电流。

当入射光强变化时，光生载子流的浓度及通过外回路的光电流也随之变化，这种变化一般保持线性关系。

当没有光照时，光电二极管相当于普通二极管。

伏安特性为式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为二极管两端电压。

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，反向饱和电流为常数。

当有光照时候，流过PN结两端的电流：式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为PN结两端电压，Ip为反向光电流。

从式中可以看出，当光电二极管处于零偏时，V=0，I=Ip，当光电二极管负偏时（取-4V），I=Ip-Is。

因此，光电二极管用作光电转换器时，须处于零偏或负偏。

硅光电池的特性实验报告硅光电池的特性实验报告引言：在当今世界，对于可再生能源的需求日益增长。

太阳能作为一种绿色、清洁的能源，备受关注。

硅光电池作为太阳能转化装置的核心技术，其特性对于太阳能的利用效率至关重要。

本实验旨在研究硅光电池的特性，以期探索其在实际应用中的潜力。

实验目的：1. 研究硅光电池的电流-电压特性曲线，分析其转化效率；2. 探究硅光电池在不同光照强度下的性能变化；3. 分析硅光电池的温度特性，了解其在不同温度条件下的工作状态。

实验步骤：1. 实验仪器和材料准备：- 硅光电池样品- 多用途电子测试仪- 光源- 温度计2. 测量硅光电池的电流-电压特性曲线：将硅光电池连接到多用途电子测试仪，并将测试仪设置为电流-电压测量模式。

通过改变外接电压，记录电流和电压值，绘制出电流-电压特性曲线。

3. 测量硅光电池在不同光照强度下的性能：将硅光电池放置在不同距离光源的位置，并通过改变光源的亮度，记录电流和电压值。

比较不同光照强度下的电流和电压变化，分析硅光电池的性能。

4. 测量硅光电池的温度特性：将硅光电池放置在恒定的光照强度下，并通过改变环境温度，记录电流和电压值。

分析不同温度条件下硅光电池的工作状态和效率变化。

实验结果与分析：1. 电流-电压特性曲线：通过实验测量得到硅光电池的电流-电压特性曲线，该曲线呈现出典型的"正向偏压"和"反向偏压"特性。

在正向偏压下，随着外接电压的增加，电流逐渐增大；而在反向偏压下，电流基本保持为零。

通过分析电流-电压特性曲线，可以计算硅光电池的最大功率点，以评估其转化效率。

2. 光照强度对硅光电池性能的影响：实验结果显示，随着光照强度的增加，硅光电池的电流和电压均增加。

这是由于光照强度的增加导致硅光电池中的载流子数量增加，从而提高了电流和电压的输出。

然而，当光照强度达到一定值后，硅光电池的输出电流和电压趋于饱和，不再随光照强度继续增加。

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 /J0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。

零偏反偏正偏图 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，当两者到达平衡时，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，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N 。

硅光电池特性测试实验报告组长：杨博组员：付中亮熊鹏郭晓峰指导教师：王凌波实验日期：2012年10月11日2012年10月16日提交日期：2012年11月11 日一、实验目的1、学习掌握硅光电池的工作原理2、学习掌握硅光电池的基本特性3、掌握硅光电池基本特性测试方法4、了解硅光电池的基本应用二、实验内容1、硅光电池短路电路测试实验2、硅光电池开路电压测试实验3、硅光电池光电特性测试实验4、硅光电池伏安特性测试实验5、硅光电池负载特性测试实验6、硅光电池时间响应测试实验三、实验仪器1、硅光电池综合试验仪1个2、光通路组件1只3、光照度计1台4、2#迭插头对10根5、2#迭插头对10根6、三相电源线1根7、实验指导书1本四、注意事项1、当电压表和电流表显示为“1—”是说明超过量程，应更换为合适量程；2、连线之前保证电源关闭；3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种的电源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。

五、实验步骤1、硅光电池短路电流特性测试2、硅光电池开路电压特性测试3、硅光电池光照特性数据分析得：光电池的短路电流与入射光照度成正比，而开路电压与光照度的对数成反比。

4、硅光电池伏安特性(注：电流单位：uA电压单位：mV) 100LX300Lx500Lx数据分析得：在同一照度下，随着电阻的不断增大，硅光电池的电流不断减小，电压不断增大。

5、 硅光电池负载特性测试 R=510欧R=1K-60-50-40-30-20-100硅光电池伏安特性曲线电流（u A ）R=2KR=5KR=10K数据分析得：在我们使用硅光电池时往往都要接负载电阻，输出电流随照度的增加而非线性地增加，并且随负载的增大线性范围也越来越小。

因此，在要求输出电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。

6、 硅光电池光谱特性测试010203040506070100200300400500600700硅光电池负载特性曲线光照度（Lx）电流（u A ）六、实验总结通过这次试验，我们更加深刻地了解到硅光电池的一些基本特性，不仅培养了我们自己的动手实践能力，而且增强了我们团队之间合作的意识。

硅光电池数据表格
【实验内容及步骤】
1.在无光照条件下，测量光电池加正/反向电压时的端电压和电
流，研究光电池的暗伏安特性（1个U ~ I曲线图，并试着用曲线拟合的方式将lnI = βU + lnI
2.测量光电池的光照特性（即光电池的短路电流、开路电压和光
强之间的关系）
改变光电池与光源之间的距离，分别测量对应位置的光强、硅光电池的开路电压和短路电流，做出I ~ 1/D2、U oc~ I以及I sc~ I的关系图（共
3.测量光电池的负载特性
将硅光电池置于距光源40cm处，改变负载阻值R，测量硅光电池的输出电压U和电流I，并计算出输出功率P = U×I和填充因子FF = P max/U oc/I sc，并做出U ~ I和P ~ R曲线图（共2张图），在图中标注出此硅光电池适合带动的负载阻值大小。

4.测量多晶硅片（选做）、非晶硅片（选做）的特性，内容与单
晶硅片相同。

实验4.3硅光电池的光照特性太阳能是一种清洁能源、绿色能源,世界各国都十分重视对太阳能的利用。

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,是应用极其广泛的一种光电传感器。

[ 僂ⴤⲺ]1.了解硅光电池的基本特性;2.测绘硅光电池的光照特性曲线;3.学习用电流补偿法测定硅光电池的短路电流及负载电流。

[ 僂 ⨼]半导体受到光的照射而产生电动势的现象,称为光生伏特效应。

硅光电池是根据光生伏特效应的原理做成的半导体光电转换器件。

硅光电池的结构如图4.3.1所示。

在一块N型硅片上用扩散方法掺入一很薄的P 型层,形成PN结,在P型层引出正极引线,在N型层引出负极引线即成。

其形状有圆盘形、长方形等。

图4.3.1硅光电池结构示意图当光照射到P型层的外表面时,光可透过P区进入N区,照射到PN结。

当光子的能量大于硅的禁带宽度时,光子能量便被硅晶格所吸收,价带电子受激跃迁到导带,形成自由电子,而价带则形成自由空穴,使得PN结两边产生电子-空穴对,如图4.3.2所示。

凡是扩散到PN结部分形成的内电场的电子-空穴对,都要受到内电场E的作用,电子被411推向N区,空穴被推向P区,从而产生P为正N为负的电动势。

若接入一负载,只要有光不断照射,电路中就有持续电流通过,从而实现了光电转换。

图4.3.2光生伏特示意图光电池在一定光照下,负载无限大(开路)时,其极间电压称为开路电压,开路电压U oc的大小与光照强度L的对数呈线性关系,如图4.3.3(a)(b)所示。

负载电阻为零(即短路)时,光电池的输出电流称为短路电流。

短路电流I sc的大小与光照强度L呈线性关系,如图4.3.3(c)所示。

光电池的输出端接一负载电阻时,有对应的端电压、负载电流和输出功率。

负载电阻R为最佳匹配电阻时,输出功率P最大,能量转换效率最高,如图4.3.3(d)所示。

这是在一些实际应用中必须考虑的问题。

图4.3.3硅光电池光照特性曲线用点光源照射光电池时,光照强度L与光电池受光面到光源距离的平方r2成反比。

硅光电池特性测试实验报告系别：电子信息工程系班级：光电08305班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武实验时间：2010年4月2日指导老师：王凌波2010.4.6目录一、实验目的二、实验内容三、实验仪器四、实验原理五、注意事项六、实验步骤七、实验数据及分析八、总结一、实验目的1、学习掌握硅光电池的工作原理2、学习掌握硅光电池的基本特性3、掌握硅光电池基本特性测试方法4、了解硅光电池的基本应用二、实验内容1、硅光电池短路电路测试实验2、硅光电池开路电压测试实验3、硅光电池光电特性测试实验4、硅光电池伏安特性测试实验5、硅光电池负载特性测试实验6、硅光电池时间响应测试实验7、硅光电池光谱特性测试实验设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验设计实验2：简易光照度计设计实验三、实验仪器1、硅光电池综合实验仪 1个2、光通路组件 1只3、光照度计 1台4、2#迭插头对（红色，50cm） 10根5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根6、三相电源线 1根7、实验指导书 1本8、20M 示波器 1台四、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。

零偏反偏正偏图 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。

硅光电池特性实验(3000系列)一、实验目的：了解光电池的光照、光谱特性，熟悉其应用。

二、基本原理：光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的p-n结的光电器件。

当光照射到光电池P-N结上时，便在P-N结两端产生电动势。

这种现象叫“光生伏特效应”，将光能转化为电能。

该效应与材料、光的强度、波长等有关。

三、需用器件与单元：主机箱中的0～20mA可调恒流源、转速调节0～24V电源、电流表、电压表；庶光筒、发光二极管；硅光电池、光电器件实验（一）模板、。

四、实验步骤1、光照特性（开路电压、短路电流）⑴、光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。

它们之间的关系就是光照特性。

实验时，为了得到光电池的开路电压Voc和短路电流Is不要同时（同步）接入电压表和电流表，要错时（异步）接入电路来测量数据。

a、光电池的开路电压(Voc)实验：按图43—1安装接线（注意接线孔的颜色相对应即+、-极性相对应），发光二极管的输入电流根据实验四十光照度对应的(如下表43—1的照度值)电流值，读取电压表Voc的测量值填入表43—1中。

表43—1光电池的开路电压(Voc)实验数据图43—1 光电池的开路电压(Voc)实验接线图b、光电池的短路电流(Is)实验：按图43—2安装接线（注意接线孔的颜色相对应即+、-极性相对应），发光二极管的输入电压根据实验四十光照度对应的(如下表43—2的照度值)电压值，读取电流表Is的测量值填入表43—2中。

表43—2 光电池的短路电流(Is)实验数据图43—2光电池的短路电流(Is)实验接线图⑵、根据表43—1、43—2的实验数据作出图43—3特性曲线图。

Voc（mV） Is(mA)0 照度（Lx） 100图43—3光电池开路电压短路电流特性曲。

实验二十二 硅光电池　一、实验目的　１． 掌握硅光电池的正确使用方法；　２． 了解光电池零负载，以及不同负载时光电流与照度的关系。

　二、工作原理　光电池具有半导体结型器件无源直接负载下的工作特性，工作原理如图１所示：外接负载为ＲＬ、Ｉｐ为光电流，ＩＤ为二极管结电流。

　Ｉ为通过负载的外电流：　/(1)Tv v D sc I I I I I eφφ=−=−− （１）　其中ＩＳＣ为光电流反向饱和电流。

当qK V TT =为温度电压当量时，负载ＲＬ上的电压Ｖ＝ＩＲＬ　给光电池正向偏压。

　１．　当零负载时（ＲＬ＝０），（１）式外电流为短路电流：　sc p I I SE== （２） Ｓ为光电流灵敏度，短路电流ＩＳＣ和照度Ｅ成正比。

　２．　当开路时，（ＲＬ＝∞），（１）式外电流Ｉ＝０则开路电压为　ln(1p oc T SCI V V I =+ （３）　开路电压Ｖｏｃ与照度Ｅ几乎无关；所有照度下的开路电压Ｖｏｃ趋于光电池正向开启电压Ｖ＝０．６伏。

并小于这个电压值。

　３．　最佳负载，负载在ＲＬ＝０～∞之间变化按经验公式求出最佳负载　光I FR LI D IANP图1 光电池工作原理图m (0.60.8)(0.60.8)I m oc oc opt sc V V V R I SE =≈=:: （４）　当ＲＬ≤Ｒｏｐｔ时，并忽略光电池结电流，负载电流近似等于恒定短路电流。

　当ＲＬ＞Ｒｏｐｔ时，光电池结电流按指数增加，负载电流近似于指数形式减小。

　三、实验内容　１．　测定电池零负载下Ｉｐ和Ｅ的关系；　２．　测定光电池不同负载情况下特性数据。

　四、实验仪表和器材　照度计、钨丝灯、调压变压器、稳定电源、毫伏电压表、微安表、电阻和电位计等。

　五、实验线路装置　光电池负载实验线路装置如图２所示。

　光电池受光照后，产生光电流Ｉ２。

在Ａ、Ｂ两点的毫伏电压会产生偏转。

调节稳压电源ＶＥ后，产生补偿电流Ｉ１，Ｉ１和光电流Ｉ２方向相反。

调节电位计Ｒ５（粗调）和Ｒ６（细调）使补偿电流Ｉ１与光电流Ｉ２相减，并促使毫伏电压表Ｇ１指示为零。