硅光電池特性的研究實(shí)驗(yàn)報(bào)告2.doc

硅光電池基本特性的研究太陽(yáng)能是一種清潔能源、綠色能源，許多國(guó)家正投入大量人力物力對(duì)太陽(yáng)能接收器進(jìn)行研究和利用。硅光電池是一種典型的太陽(yáng)能電池，在日光的照射下，可將太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，具有性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等一系列優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用極其廣泛的一種光電傳感器。因此，在普通物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)硅光電池的特性研究實(shí)驗(yàn)，介紹硅光電池的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)，并對(duì)兩種性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，聯(lián)系科技開(kāi)發(fā)實(shí)際，有一定的新穎性和實(shí)用價(jià)值。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1測(cè)量太陽(yáng)能電池在無(wú)光照時(shí)的伏安特性曲線； 2.測(cè)量太陽(yáng)能電池在光照時(shí)的輸出特性，并求其的短路電流 I SC 、開(kāi)路電壓 UOC 、最大FF3.測(cè)量太陽(yáng)能電池的短路電流 I 及開(kāi)路電壓U 與相對(duì)光強(qiáng) J /J0 的關(guān)系，求出它們的近似函數(shù)關(guān)系； 實(shí)驗(yàn)原理 1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像光通信太陽(yáng)電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測(cè)器的一個(gè)基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進(jìn)一步領(lǐng)會(huì)半導(dǎo)體PN結(jié)原理光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機(jī)理。零偏反偏正偏圖 2-1. 半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū) 圖2-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴(kuò)散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個(gè)勢(shì)壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無(wú)自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變窄，勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)形成電流，此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?電流方向是從P指向N。2、硅光電池的工作原理太陽(yáng)能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收光子的能量轉(zhuǎn)化為電能。這一能量轉(zhuǎn)換過(guò)程是利用半導(dǎo)體 P-N 結(jié)的光伏效應(yīng)（Photovoltaic Effect）進(jìn)行的。在沒(méi)有光照時(shí)太陽(yáng)能電池的特性可簡(jiǎn)單的看作一個(gè)二極管，其正向偏壓 U 與通過(guò)電流 I 的關(guān)系式為： ， (1)(1) 式中，I0和是常數(shù)。其中，I、U 為 P-N 結(jié)二極管的電流及電壓，k 為波爾茲曼常數(shù)（1.3810 J/K），q 為電子電荷量（1.60210 庫(kù)侖），T 為絕對(duì)溫度， Io 是二極管的反向飽和電流，是理想二極管參數(shù)， 由半導(dǎo)體理論，二極管主要是由能隙為ECEV的半導(dǎo)體構(gòu)成，如圖1所示。EC為半導(dǎo)體電帶，EV為半導(dǎo)體價(jià)電帶。當(dāng)入射光子能量大于能隙時(shí)，光子會(huì)被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對(duì)。電子和空穴對(duì)會(huì)分別受到二極管之內(nèi)電場(chǎng)的影響而產(chǎn)生光電流。 圖1假設(shè)太陽(yáng)能電池的理論模型是由一理想電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管、一個(gè)并聯(lián)電阻與一個(gè)電阻所組成，如圖2所示。 圖2圖2中，為太陽(yáng)能電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流，為光照時(shí)，通過(guò)太陽(yáng)能電池內(nèi)部二極管的電流。由基爾霍夫定律得： ， （2） (2）式中，I為太陽(yáng)能電池的輸出電流，U為輸出電壓。由（1）式可得， ， （3） 假定 和 ，太陽(yáng)能電池可簡(jiǎn)化為圖3所示電路。 圖3這里， 。在短路時(shí)，U0， ；而在開(kāi)路時(shí)，I0， ； ， （4） （4）式即為在 和 的情況下，太陽(yáng)能電池的開(kāi)路電壓 和短路電流 的關(guān)系式。其中 為開(kāi)路電壓， 為短路電流，而I0 、是常數(shù)。3、硅光電池的基本特性(1) 短路電流 圖2-3 硅光電池短路電流測(cè)試如圖2-3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的短路電流特性。 (2)開(kāi)路電壓圖2-4 硅光電池開(kāi)路電壓測(cè)試如圖2-4所示，不同的光照的作用下， 電壓表如顯示不同的電壓值。即為硅光電池的開(kāi)路電壓特性。(3) 光照特性 光電池在不同光照度下， 其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性，如圖2-5。0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開(kāi)路電壓光生電壓/ V光照度 /Lx圖2-5 硅光電池的光照電流電壓特性(4)伏安特性 如圖2-6，在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)，測(cè)量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。圖2-6 硅光電池的伏安特性測(cè)試(5)負(fù)載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2-7所示。在內(nèi)電場(chǎng)作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會(huì)有電流流過(guò)，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較大而電壓較小。實(shí)驗(yàn)時(shí)可改變負(fù)載電阻RL的值來(lái)測(cè)定硅光電池的負(fù)載特性。圖2-7 硅光電池負(fù)載特性的測(cè)定實(shí)驗(yàn)儀器光具座、滑塊、白熾燈、太陽(yáng)能電池、光功率計(jì)、遮光罩、電壓表、電流表、電阻箱、導(dǎo)線等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 在沒(méi)有光源（全黑）的條件下，測(cè)量太陽(yáng)能電池正向偏壓時(shí)的IU特性（直流偏壓從03.0V）。 （1）設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖，并連接。圖1 （2）利用測(cè)得的正向偏壓時(shí)IU關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出I-U曲線并求出常數(shù)和的值。2、在不加偏壓時(shí)，用白色光源照射，測(cè)量太陽(yáng)能電池一些特性。注意此時(shí)光源到太陽(yáng)能電池距離保持為20cm。 （1）設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖，并連接。圖2 （2）測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，I對(duì)U變化關(guān)系，畫出IU曲線圖。（3）求短路電流和開(kāi)路電壓。（4）求太陽(yáng)能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時(shí)負(fù)載電阻。（5）計(jì)算填充因子3、測(cè)量太陽(yáng)能電池的光照效應(yīng)與光電性質(zhì)。在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白光源20cm水平距離光強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，用光功率計(jì)測(cè)量該處的光照強(qiáng)度J0；改變太陽(yáng)能電池到光源的距離x，用光功率計(jì)測(cè)量該處的光照強(qiáng)度J，求光強(qiáng)J與位置X關(guān)系。測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到相對(duì)光強(qiáng)度J /J0不同值時(shí)，相應(yīng)的和的值。(1)設(shè)計(jì)測(cè)量電路圖，并連接。(2)測(cè)量太陽(yáng)能電池接受到相對(duì)光強(qiáng)度J /J0不同值時(shí)，相應(yīng)的和的值。(3)描繪和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的關(guān)系曲線，求和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。(4)描繪和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的關(guān)系曲線，求和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。 注意事項(xiàng) 1實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果會(huì)受到實(shí)驗(yàn)室雜散光的影響，使用中盡量保持較暗的測(cè)試環(huán)境。 2連接電路時(shí)，保持電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以免發(fā)生觸電事故。 3.改變負(fù)載電阻，測(cè)量相應(yīng)的負(fù)載電流時(shí)，適當(dāng)安排測(cè)量點(diǎn)的分布：在估算的最佳負(fù)載電阻值附近的測(cè)量點(diǎn)應(yīng)密，其他測(cè)量點(diǎn)可疏。4.由于各臺(tái)儀器使用的太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率、白熾燈的發(fā)射光譜存在一定的個(gè)體差異，而且實(shí)驗(yàn)儀器所處的環(huán)境亮度不盡相同，這類因素均可能導(dǎo)致各臺(tái)儀器之間測(cè)量結(jié)果存在一定差異，但并不影響物理規(guī)律的反映。 問(wèn)題與討論（1）如何確定硅光電池的內(nèi)阻？其大小與哪些因素有關(guān)？（2）實(shí)驗(yàn)時(shí)光源的相對(duì)強(qiáng)度發(fā)生了變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果有何影響？（3）什么是最佳匹配電阻？對(duì)給定的硅光電池如何確定其最佳匹配電阻？ 參