光伏效應實驗報告

1、篇一：半導體光伏效應實驗實驗4半導體光伏效應實驗本實驗以單晶硅太陽能電池為例，通過實驗讓學生了解太陽能光伏電池的機理，學習和掌握 測量短路電流的方法和技巧，以及光電轉(zhuǎn)換的基本參數(shù)測量。一、實驗目的1、初步了解太陽能電池機理2、測量太陽能電池開路電動勢、短路電流、內(nèi)阻和光強之間關(guān)系3、在恒定光照下測量光電 流、輸出功率與負載之間關(guān)系二、實驗原理在p型半導體上擴散一薄層施主雜質(zhì)而形成的p-n結(jié)(如圖1)，由于光照，在a、b電極之 間出現(xiàn)一定的電動勢。在有外電路時，只要光照不停止，就會源源不斷地輸出電流，這種現(xiàn) 象稱為光伏效應。利用它制成的元器件稱之為太陽能電池。光伏效應最重大的應用是可以將 陽光直

2、接轉(zhuǎn)換成電能，是當今世界眾多國家致力研究和開拓應用的課題。從光伏效應的機理可知，太陽能電池輸出的電流il是光生電流ip和在光生電壓vp作用下產(chǎn) 生的p-n結(jié)正向電流if之差，即il?ip?if。根據(jù)p-n結(jié)的電流和電壓關(guān)系qvpif=is (ekt-1)is為反向飽和電流，式中vp是光生電壓，所以輸出電流qvpil=ip - is(ekt-1) (1)此即光電流表達式。通常ipis，上式括號內(nèi)的1可忽略。對于太陽能電池有外加偏壓時，(1)式應改為qv圖1光伏效應結(jié)構(gòu)示意圖il=il+i=il+is(ekt-1) (2)qv上式中is(ekt-1)，就是p-n結(jié)在外加偏壓v作用下的電流。圖2中的

3、(a)(b)兩條曲線分別表示無光照和有光照時太陽能電池的i-v特性， 由此可知，太陽能電池的伏安特性曲線相當于把p-n結(jié)的伏安特性曲線向下平移，它在橫軸 與縱軸的截距分別給出了 voc和isc。圖2太陽能電池的伏安特性實驗表明：在v=0情況下，當太陽能電池外接負載電阻rl，其 輸出電壓和電流均隨rl變化而變化。只有當rl取某一定值時輸出功率才能達到最大值pm, 即所謂最佳匹配阻值rl?rlb，而rlb則取決于太陽能電池的內(nèi)阻ri=vocvocisc。因和isc均隨光照強度的增強而增大，所不同的是voc與光強的對數(shù)成正比，isc和ri都是太 陽能電池的重要參數(shù)，最大輸出功率pm和voc與isc乘

4、積之比ff=pmvocisc與光強（在弱光下）成正比，所以ri亦隨光強度變化而變化。如圖3所示。voc、isc（3）ff是表征太陽能電池性能優(yōu)劣的指標，稱為填充因子。ff越大，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率就 越高。ff最大值約為0.75 0.85。太陽能電池的等效電路（如圖4），在一定負載電阻rl范圍內(nèi)可以近似地視為一個電流源ips 與內(nèi)阻ri并聯(lián)，和一個很小的電極電阻rs串聯(lián)的組合。圖3開路電動勢、短路電流與光強關(guān)系曲線圖4太陽能電池等效電路四、實驗方法1、光強調(diào)節(jié)與強度的表示本實驗所用光源為led（發(fā)光二極管），根據(jù)led的輸出功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，利用改 變led的靜態(tài)工作電流確定光強的相對

5、值。儀器設定led的工作電流調(diào)節(jié)范圍為0-20ma， 對應顯示器上的數(shù)值為0-2000。也可用“歸一”法表示光強，即設jm為最大光強，j為改 變后的光強，則j/jm為無量綱的相對光強。2、標尺的設定為了調(diào)節(jié)光源與光電池的間距和試樣表面光照的均勻度，設置了水平及垂直方向可調(diào)的標尺。 選擇三色發(fā)光管中任一顏色光源，接通led驅(qū)動電源，調(diào)節(jié)id指示為1000左右，功能切換 開關(guān)置voc檔。將水平標尺調(diào)到10mm左右；再調(diào)垂直標尺，使開路電壓voc達到最大值，并 保持該狀態(tài)直至該顏色光源的所有實驗完畢為止。由于三色led的發(fā)光中心不在同一點，所 以對不同顏色光源，都應按照上述方法重新調(diào)試垂直標尺。3、

6、led驅(qū)動電流源粗調(diào)和細調(diào)旋鈕的使用id的調(diào)節(jié)通過粗調(diào)和細調(diào)旋鈕來實現(xiàn)。細調(diào)旋鈕只在id輸出較高時起作用，如id顯示為1900 時，最后一位“0”可能會跳動，這時可通過調(diào)節(jié)細調(diào)旋鈕使其穩(wěn)定。五、實驗內(nèi)容1、測量開路電動勢voc與光強id的關(guān)系測量線路如圖5所示。將功能切換開關(guān)打到voc檔，然后將面板上voc（毫伏表）正、負輸入 端與pv裝置的太陽能電池正、負輸出端對應連接。按實驗所需光源顏色，接通led驅(qū)動電源。 并調(diào)節(jié)標尺找到實驗最佳工作狀態(tài)。調(diào)節(jié)id= 0 （即將粗調(diào)和細調(diào)旋鈕旋至最小），此時由于pv裝置不完全密封（如導線的入口 處），可能有光線漏進裝置中，使得voc顯示不為0。調(diào)節(jié)id測

7、量不同光強下，太陽能電池的開路電動勢voc。將數(shù)據(jù)記入表1,并繪制vocid 曲線，說明其關(guān)系。圖5測量開路電壓voc線路圖表12、短路電流isc的測量測量線路圖如圖6所示。將功能切換開關(guān)打到isc檔（注：在開啟“dc 0-1v電源”前請先確 認i0旋鈕旋轉(zhuǎn)到最小處，以防在瞬間接通時us處于較大值，損壞太陽能電池）；調(diào)節(jié)dc 0-1v 電源us輸出，使微安表讀數(shù)i0為10.00-18.00?a （建議取10.00?a）。在某一光強id下，改變可調(diào)電阻r，使流過檢流計（g）的電流ig為零。此時ab兩點之間 和ac兩點之間的電壓應相等，即vab=vac。因而ir=i0r0,即短路電流 isc=i=

8、i0r0r（r0為微安計內(nèi)阻，為10k?）圖6測量短路電流isc線路圖測量不同紅光光強下，短路電流isc與光強id的關(guān)系，將數(shù)據(jù)記入表2,并繪制iscid曲 線，說明其關(guān)系。表23、按下式求出太陽能電池的內(nèi)阻ri，并繪制riid曲線（自擬表格），說明其關(guān)系。ri?vocisc4、流過負載電流il與負載兩端電壓vl關(guān)系測量選擇紅光光源進行實驗。測量線路如圖7所示。r*為實驗儀上標示的il取樣電阻，為10 kw ； rl為功能切換開關(guān)打 到il檔。太陽能電池在恒定光照下（取id約為1000），測量在不同負載電阻rl時流過的電流il與輸 出電壓vl=il?rl?r?,將數(shù)據(jù)記入表3，并繪制ilvl曲

9、線。*圖7負載特性測量線路圖圖8光電流與負載電阻兩端電壓關(guān)系曲線計算不同負載電阻下輸出功率P，即p=vlil，并繪出prl曲線，說明其關(guān)系，確定pm時 的rlb及填充因子ff?pmvocisc 表3篇二：光電效應測普朗克常量實驗報告三、實驗原理1.光電效應當一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電 效應。所產(chǎn)生的電子，稱為光電子。光電效應是光的經(jīng)典電磁理論所不能解釋的。當金屬中 的電子吸收一個頻率為v的光子時，便獲得這光子的全部能量hv，如果這能量大于電子擺脫 金屬表面的約束所需要的脫出功w，電子就會從金屬中逸出。按照能量守恒原理有：（1）上式稱為愛因斯坦

10、方程，其中m和?m是光電子的質(zhì)量和最大速度，是光電子逸出表面 后所具有的最大動能。它說明光子能量hv小于w時，電子不能逸出金屬表面，因而沒有光電 效應產(chǎn)生；產(chǎn)生光電效應的入射光最低頻率v0=w/h，稱為光電效應的極限頻率（又稱紅限）。 不同的金屬材料有不同的脫出功，因而。0也是不同的。由（1）式可見，入射到金屬表面的 光頻率越高，逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電壓也會有光電子落入陽極而 形成光電流，甚至陽極電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至陽極電位低于某一 數(shù)值時，所有光電子都不能到達陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負值的陽極電位 被稱為光電效應的截止電壓。顯然，有代

11、入（1）式，即有（3）由上式可知，若光電子能量，則不能產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生光電效應的最低頻率是（2），通常稱為光電效應的截止頻率。不同材料有不同的逸出功，因而也不同。由于光的強弱決 定于光量子的數(shù)量，所以光電流與入射光的強度成正比。又因為一個電子只能吸收一個光子 的能量，所以光電子獲得的能量與光強無關(guān)，只與光子v的頻率成正比，將（3）式改寫為（4）上式表明，截止電壓是入射光頻率v的線性函數(shù)，如圖2，當入射光的頻率時，截止電壓，沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率是一個正的常數(shù)：（5）由此可見，只要用實驗方法作出不同頻率下的通過式（5）求出普朗克常數(shù)h。其中 曲線，并求出此曲線的斜率，就可以是電子的電量

12、。圖2 u0-v直線光電效應的伏安特性曲線圖3是利用光電管進行光電效應實驗的原理圖。頻率為v、強度為p的光線照射到光電管陰 極上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極k和陽極a之間加正向電壓，它使k、a之間建立起 的電場對從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓的增加，到達陽極的光電子將逐 漸增多。當正向電壓增加到時，光電流達到最大，不再增加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應的 光電流即稱為飽和光電流。圖3光電效應原理圖由于光電子從陰極表面逸出時具有一定的初速度，所以當兩極間電位差為零時，仍有光電流 i存在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減少；當反向電壓達到截止電壓時，光電 流為零。圖4入射光頻率

13、不同的iu曲線圖5入射光強度不同的iu曲線愛因斯坦方程 是在同種金屬做陰極和陽極，且陽極很小的理想狀態(tài)下導出的。實際上做陰極的金屬逸出功 比作陽極的金屬逸出功小，所以實驗中存在著如下問題：（1）暗電流和本底電流。當光電管陰極沒有受到光線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。 它是由電子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi)各種漫反射光射入光電管造成的 光電流稱為本底電流。暗電流和本底電流隨著k、a之間電壓大小變化而變化。（2）陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上 或由陰極反射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極電流。由于它們的存在，使得 iu曲線較理

14、論曲線下移，如圖6所示。圖6伏安特性曲線五、數(shù)據(jù)記錄與處理1、零電流法測h第一組：普朗克常數(shù)：6.65Xjs誤差0.30%第二組：普朗克常數(shù)：6.64X第三組：普朗克常數(shù)：6.64X2、補償法測h 普朗克常數(shù)：6.68Xj - s 誤差 0.88%j s誤差0.26% j s誤差0.21%3、伏安特性曲線 見下頁。六、思考討論1、什么是光電效應，及內(nèi)，外光電效應和單光子，多光子光電效應。當一定頻率的光照射到某些金屬表面上時，可以使電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象稱為光電 效應。所產(chǎn)生的電子，稱為光電子。常說的光電效應是外光電效應，即電子從金屬表面逸出。內(nèi)光電效應是光電效應的一種，主 要由于光量子作

15、用，引發(fā)物質(zhì)電化學性質(zhì)變化。內(nèi)光電效應又可分為光電導效應和光生伏特 效應。光電導效應：當入射光子射入到半導體表面時，半導體吸收入射光子產(chǎn)生電子空穴對， 使其自生電導增大。光生伏特效應：當一定波長的光照射非均勻半導體（如pn結(jié)），在自建 場的作用下，半導體內(nèi)部產(chǎn)生光電壓。篇三：關(guān)于各種物理效應實驗專題的報告關(guān)于各種物理效應實驗專題的報告【摘要】：本文主要對各種物理效應實驗專題（液晶電光效應、太陽能電池伏安特性的測量、 光電效應）作簡要的原理介紹，同時對實驗結(jié)果進行了闡述和分析，并且由實驗結(jié)果分析得 到相關(guān)實驗結(jié)論。最后分析了各實驗的應用前景?！娟P(guān)鍵詞】：液晶電光效應、太陽能電池伏安特性的測量、光

16、電效應abstract : this report mainly introduces the principles briefly of the effect of various physical experiment dissertations （liquid crystal electro-optic effect, measurement of solar battery volt-ampere characteristic, the photoelectric effect）. at the same time, the result of these three experime

17、nts are expounded and analyzed in this report. relevant experimental conclusions from the analysis of experimental results are also analyzed. finally this report introduces the application prospects of these experiments.【實驗背景】：1、液晶電光效應：1886年，奧地利的植物學家reinitzer在做有機物的溶解試驗時在一 定溫度范圍內(nèi)觀察到液晶.1961年，美國rca公司的h

18、eimeier發(fā)現(xiàn)了液晶的一系列電光 效應，并制成了顯示器件.2、太陽能電池伏安特性的測量：太陽能電池也稱光伏電池，是將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換 成電能的器件.由這種器件封裝成太陽能電池組件，再按需要將1塊一塊以上的組件組合 成一定功率的太陽能電池方陣,也稱光伏發(fā)電系統(tǒng)。3、光電效應：光電效應現(xiàn)象是1887年赫茲在驗證電磁波存在時發(fā)現(xiàn)的，但運用光的經(jīng) 典電磁波理論無法對光電效應的實驗規(guī)律做出圓滿的解釋.1905年，愛因斯坦根據(jù)普朗 克的能量子假設提出了光電子理論，成功解釋了光電效應的規(guī)律。【實驗原理概述】：1、液晶電光效應：液晶是介于液體與晶體之間的一種物質(zhì)狀態(tài)。液晶分子是含有極性基團的 極性分子

19、，在電場作用下，偶極子會按電場方向取向，導致分子原有的排列方式發(fā)生變化， 從而液晶的光學性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，這種因外電場引起的液晶光學性質(zhì)的改變稱為液晶的 電光效應。液晶的電光效應有很多種，主要有動態(tài)散射型（dc）、扭曲向列型（tn）等本實驗所用的液晶 樣品即為tn型.圖8-40 tn型液晶光開關(guān)的結(jié)構(gòu)tn型光開關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖8-40所示均勻扭曲排列起來的結(jié)構(gòu)具有光波導的性質(zhì)，即偏振光從上電極表面透過扭曲排列起來的液 晶傳播到下電極表面時，偏振方向會旋轉(zhuǎn)90度.取兩張偏振片貼在玻璃的兩面，p1的透光軸 與上電極的定向方向相同，p2的透光軸與下電極的定向方向相同，于是p1和p2的透光軸相 互正交。

20、在未加驅(qū)動電壓的情況下，來自光源的自然光經(jīng)過偏振片p1后只剩下平行于透光軸的線偏振 光，該線偏振光到達輸出面時，其偏振面旋轉(zhuǎn)了 90。這時光的偏振面與p2的透光軸平行， 因而有光通過。在施加足夠電壓情況下，在靜電場的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基 片“錨定”以外，其他液晶分子趨于平行于電場方向排列。于是原來的扭曲結(jié)構(gòu)被破壞，成 了均勻結(jié)構(gòu)。從pl透射出來的偏振光的偏振方向在液晶中傳播時不再旋轉(zhuǎn)，保持原來的偏振 方向到達下電極。這時光的偏振方向與p2正交，因而光被關(guān)斷。圖8-41液晶光開光的電光特性曲線圖8-42液晶的視角特性圖8-41為光線垂直入射時本實驗所用液晶相對透射率與外加電壓的關(guān)系

21、。由圖8-41可見，對于常白模式的液晶，其透射率隨外加電壓的升高而逐漸降低，在一定電壓 下達到最低點，此后略有變化。液晶光開關(guān)的視角特性表示對比度與視角的關(guān)系。對比度定義為光開關(guān)打開和關(guān)斷時透射光 強度之比，對比度大于5時，可以獲得滿意的圖像，對比度小于2,圖像就模糊不清了。2、太陽能電池伏安特性的測量：光伏效應指光照使不均勻半導體或半導體與金屬結(jié)合的不 同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。它首先是由光子轉(zhuǎn)化為電子、光能量轉(zhuǎn)化為電能量的過程； 其次，是形成電壓過程。太陽電池的工作原理是基于光伏效應。當光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由n區(qū)到p區(qū)的 光。生電流iph。同時，由于pn結(jié)二極管的特性，存在正向二

22、極管電流id，此電流方向 從p區(qū)到n區(qū)，與光生電流相反。因此，實際獲得的電流i為?qv?di?iph?id?iph?i0?exp?nkt?1?b?太陽電池的輸出端短路時，v = 0 (vd0)，得短路電流isc?iph即太陽電池的短路電流等于光生電流，與入射光的強度成正比。當太陽電池的輸出端開路時，= 0，得開路電壓mocvvoc?isc?nkbt?ln?1?q?i0?當太陽電池接上負載r時，所得的負載伏-安特性曲線如 圖所示。ii負載r可以從零到無窮大。當負載rm使太陽電池的功率輸出為最大時，它對應 的最大功率pm為pm?imvm將voc與isc的乘積與最大功率pm之比定義為填充因子ff，則

23、pmvmimff? vociscvociscff為太陽電池的重要表征參數(shù)，ff愈大則輸出的功率愈高。3、光電效應：在光的照射下，電子從金屬表面逸出的現(xiàn)象稱為光電效應.圖7-34是研究光電 效應實驗物理規(guī)律和測量普朗克常數(shù)h的實驗原理圖.在抽成真空的光電管中,a為陽極,k為 陰極光頻率為v的光照射到由金屬材料做成的陰極k上,就有光電子逸出金屬表面，在電場的 加速作用下光電子向陽極a遷移，在回路中形成光電流.當光電管兩端加反向電壓時，具有最大動能的電子剛好被反向電場阻擋，即1eus?m?2(1)h?ws?12m?m2 (2)反us?hh?0ee(3)可見,u與v成線性關(guān)系【實驗結(jié)果】：【結(jié)果分析】：液晶電光效應：水平方向和垂直方向圖像基本走向是相同的，在0.00v0.90v之間基本保持 不變，在0.90v1.8v之間變化很快，最后達到2.0v后基本不變達到飽和狀態(tài)，透射率變?yōu)?0。 但是我們可以從圖像中看出，兩種方法放置時他們的閥值電壓和關(guān)斷電壓都略有區(qū)別， 我們可以看出水平放置時閥值電壓和關(guān)斷