硅光电池特性实验

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1、第一章 硅光电池综合实验仪说明一、内容简介光电池是一种不需外加偏置电压，就能将光能直接转换成电能的PN结光电器件。按光电 池的用途可分为两大类：太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用做电源，对它的 要求是效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、能直 接利用太阳能转换成电能的特点，因而它不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用 于供电困难的场所和人们的日常生活中。测量光电池的主要功能是作光电检测用，即可在不 加偏置电压的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响 应合适、稳定性好和寿命长，因而它被广泛应用在光度、色度、光学精密计量

2、和测试中。GCSIDC-B 型硅光电池综合实验仪从了解和熟悉硅光电池的角度出发，讨论关于硅光电池 的主要技术问题，主要研究硅光电池的基本特性，如短路电流、光电特性、光谱特性、伏安 特性、及时间响应特性等等，以及硅光电池的简单应用。本实验仪电路 PCB 板与光通路组件各占一部分置于箱体内，这样不仅可以让学生对整个 实验系统的光通路一目了然，增强学生对系统的理解，而且外观美观大方，携带存放方便。 在电路 PCB 板部分，模块化设计，配有独立的电压表、电流表和独立照度计，各表头显示单 元和各种调节单元都放在面板上，学生做实验时只需要简单连线即可实现相应的功能。连线 调节、观察和记录都很方便。实验箱还

3、配备有200 欧至 500 千欧不同阻值的电阻，可供学生 配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。二、实验仪说明1、电子电路部分结构分布说明：1电压表：独立电压表，可切换三档，200mV, 2V, 20V,通过拨段开关进行调节，白色 所指示的位置即为所对应的档位。“+”“-”分别对应电压表的“正”“负”输入极。2电流表：独立电流表，可切换四档， 200uA， 2mA， 20mA， 200mA 通过拨段开关进行调 节，白色所指示的位置即为所对应的档位。“+”“-”分别对应电流表的“正”“负”输入极。3照度计电源：红色为照度计电源正极，黑色为照度计电源负极。2、光通路组件光调制控制

4、输入端图 2 硅光电池光通路组件出端功能说明：分光镜：50%透过 50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给待测光器件，实验测 试方便简单，照度计可实时检测出待测器件所接收的光照度。光器件输出端：红色硅光电池“+”极黑色硅光电池“-”极第二章 实验指南一、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、硅光电池短路电流测试实验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

5、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，50cm10根5、2#迭插头对黑色，50cm10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。e 歸於妙QfE內p型耗尽IK rfflej eoee越 越 越 越QoQoQo

6、Qae.G1p型耗尽冈rffl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，因此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P

7、N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。2、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，它被设计用于把入射到它外表的光能转化为电能, 因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。光电池的基本结构如图2-2，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。流过PN结

8、两端的电流可由式1确定图2-2 光电池结构示意图I = I (ekT 1) +1(1)Sp式1中I为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，I为产生的光电流。从 sp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；当光电池处于反偏时(在P本实验中取V=-5V),流过PN结的电流I=I -I，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必p s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与输入光功率P.有以 p1下关系：I =RP(2)pi3、硅光电池的基本特性(1)短路电流电极ab图2-3硅光电池短路电流测试如图2-3所示，不同的光照的作用下, 路电流特

9、性。开路电压毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短Ic1NTPN结SiO2膜 硼扩散层.：p型电极电极I图2-4硅光电池开路电压测试如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开 路电压特性。(3)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-5。光生电流、mAO3 no.o.o,O002O0046 4o.ao.Q光生电压2度图2-5硅光电池的光照电流电压特性(4)伏安特性如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载在一定的范围内变化时，光电池的 输出电压及电流随负载电阻变化的关系曲线称为硅光电池的伏安

10、特性。图2-6硅光电池的伏安特性测试(5)负载特性(输出特性)光电池作为电池使用如图2-7所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于 价介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流 过，当负载很大时，电流较小而电压较大；当负载很小时，电流较大而电压较小。实验时可 改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。r一 Rl图2-7硅光电池负载特性的测定在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度光能量呈线性关系， 是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻RL,输出电流IL随照度光通量的 增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL的增大线性

11、范围也越来越小。因此，在要求输出的 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。光电池光照与负载特性曲线如图2-8所示。图 2-8 硅光电池光照与负载特性曲线(5) 光谱特性 一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电 流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中 硅光电 池的 响应范围为 4001100nm,峰值波长为800900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为400650nm，因此， 实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图2-9所示硅光电池频率特性曲线。1 度应响对相4008001200(nm)图

12、2-9 硅光电池的光谱曲线五、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以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数 据不准确。六、实验内容和步骤 共有三个实验 一实验一：硅光电池的伏安特性 1、硅光电池短路电流特性测试实验装置原理框图如图2- 1 1 所示。图2-11硅光电池短路电流特性测试1组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连红为正极，黑为 负极，将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连红为正极，黑为负极，将 光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。2“光

13、照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为。3将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2, S3, S4, S5, S6, S7均拨下。4按图2-11所示的电路连接电路图5打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度值依次为下表中各值，分别读出电 流表读数，填入下表，关闭电源。光照度Lx0100200300400500600光生电流uA6上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。7实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。8根据表格中的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流特性曲线即光 生电流随光照度变化的曲线。2、硅光电池开路电压特性测试实

14、验装置原理框图如图2-12所示。图2-12硅光电池开路电压特性测试1组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连红为正极，黑为 负极，将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连红为正极，黑为负极，将 光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。2“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为。3将三掷开关BM2拨到“静态”拨位开关S1拨上，S2, S3, S4, S5, S6, S7均拨下。 4按图2-12所示的电路连接电路图5打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的各值，分别读出 电压表读数，填入下表，关闭电源。光照度Lx01020304050100200300400500600光生电压mA6上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。7实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。8根据表格中的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电压特性曲线即光 生电压随光照度变化的曲线。3、硅光电池伏安特性实验装置原理框图如图2-13所示。1图2-13硅光电池伏安特性测试1组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对