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1、硅光电池实验,物理实验教学中心 马红,实验背景,光电池是一种光电转换元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换为电能。硅在阳光下的光电转换效率最高,所以通常把这类器件称为“太阳能电池”也称“光伏电池”。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。太阳能光伏发电,是迄今为止最美妙、最长寿、最可靠的发电技术。太阳能电池除用于人造卫星和宇宙飞船等领域外, 它主要在分析仪器，测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、光能利用等很多领域用作探测元件，其广泛应用于现代科学技术中。光电池还用于许多民用领域,如光电池汽车、光电池收音机、光电池计算机和光电池电站等现代科学技术中占有十分重要的地位。因此,太阳能光
2、伏发电有望成为21世纪的重要新能源。,实验背景,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硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件性能稳定，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。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、光能利用等领域用作探测元件，得到广泛应用,实验目的,1掌握PN结的形成原理及其工作机理； 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其工作特性。,实验仪器,TKGD-1硅光电池特性 实验仪 2. 信号发生器 3. 示波器,TKG
3、D1型硅光电池特性实验仪,仪器介绍,TKGD1型硅光电池特性实验仪,一 PN结的形成及工作原理 当P型和N型半导体材料结合时，P 型（ N型）材料中的空穴（电子）向N 型（ P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，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。 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，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。,实验原理,实验原理,一PN结的形成及单向导电性,PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时， PN结电阻很低，正向
4、电流较大，PN结处于正向导通状态； 加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小， PN结处于截至状态。,二、硅光电池的工作原理,硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介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漂移到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。,光电池结构示意图,（1） PN结两端的电流： 光电池处于零偏时，V0，流过PN结的电流IIP ；光电池处于反偏时（实验中取V 5V），流过PN结的电流I IP- Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。,12,图示.发送光
5、的设定、驱动和调制电路框图,（2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系： 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。,三、 发光二极管（LED）的工作原理,当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙E有关： h c / E 发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系： P = Ep I/ e 本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。,图示.LED发光二极管的正弦信号调制原理,15,一、 硅光电池零偏和反偏时光电流与输入光信号关系特
6、性测定 将硅光电池输出端连接到I / V转换模块输入端，将I / V转换模块输出端连接到数字电压表头的输入端，调节发光二极管静态驱动电流，分别测定光电池在零偏和反偏时光电流与输入光信号关系。在515mA内等间距各测10组数据。比较零偏和反偏时的两条曲线，求出光电池的饱和电流Is 。,实验内容,二、 硅光电池池输出拉接恒定负载时产出的光伏电压与输入光信号关系测定 将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（R分别取1K和10K）和数字电压表，调节发光二极管静态驱动电流，测定光电池输出电压随输入光强度的关系曲线。,三、 硅光电池伏安特性测定 输入光强度不变时（驱动电流分别取5 mA和15mA），测定当负载在 0.5k9.5k的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。,思考题,1光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？ 2光电池用于线性光电探测器时，对耗尽区的内 部电场有何要求？ 3光电池对入射光的波长有何要求？ 4当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7伏？ 5如何获得高电压、大电流输出的光电池？,
