大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)31-硅光電池實(shí)驗(yàn)馬紅課件

硅光電池實(shí)驗(yàn)

物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心

馬紅實(shí)驗(yàn)背景

光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需要外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能。硅在陽光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高,所以通常把這類器件稱為“太陽能電池”也稱“光伏電池”。硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件。太陽能光伏發(fā)電,是迄今為止最美妙、最長壽、最可靠的發(fā)電技術(shù)。太陽能電池除用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船等領(lǐng)域外,它主要在分析儀器，測量儀器、光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測、光能利用等很多領(lǐng)域用作探測元件，其廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中。光電池還用于許多民用領(lǐng)域,如光電池汽車、光電池收音機(jī)、光電池計(jì)算機(jī)和光電池電站等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要的地位。因此,太陽能光伏發(fā)電有望成為21世紀(jì)的重要新能源。實(shí)驗(yàn)背景

光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性相應(yīng)好，使用壽命長，耐高溫輻射，光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等。它在分析儀器、測量儀器、光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測、計(jì)算機(jī)輸入輸出、光能利用等領(lǐng)域用作探測元件，得到廣泛應(yīng)用實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握PN結(jié)的形成原理及其工作機(jī)理；2．了解LED發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流和輸出

光功率的關(guān)系；3．掌握硅光電池的工作原理及其工作特性。實(shí)驗(yàn)儀器TKGD-1硅光電池特性

實(shí)驗(yàn)儀2. 信號發(fā)生器3. 示波器TKGD－1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀儀器介紹TKGD－1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀一PN結(jié)的形成及工作原理

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，P型（N型）材料中的空穴（電子）向N型（P型）材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)形成一個(gè)勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(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)。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢壘削弱。實(shí)驗(yàn)原理實(shí)驗(yàn)原理一．PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦訮N結(jié)具有單向?qū)щ娦浴Ｔ赑N結(jié)上加正向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很低，正向電流較大，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)；加反向電壓時(shí)，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小，PN結(jié)處于截至狀態(tài)。二、硅光電池的工作原理

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過負(fù)載。光電池結(jié)構(gòu)示意圖

（1）PN結(jié)兩端的電流：

光電池處于零偏時(shí)，V＝0，流過PN結(jié)的電流I＝－IP

；光電池處于反偏時(shí)（實(shí)驗(yàn)中取V＝－5V），流過PN結(jié)的電流I＝－IP-Is，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。

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圖示.發(fā)送光的設(shè)定、驅(qū)動(dòng)和調(diào)制電路框圖（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關(guān)系：

R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。

三、發(fā)光二極管（LED）的工作原理

當(dāng)某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合時(shí)將產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級間隙Eｇ有關(guān)：λ＝hc/Eｇ發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動(dòng)電流I的關(guān)系：

P=ηEpI/e

本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實(shí)驗(yàn)用光源。

圖示.LED發(fā)光二極管的正弦信號調(diào)制原理15

一、

硅光電池零偏和反偏時(shí)光電流與輸入光信號關(guān)系特性測定

將硅光電池輸出端連接到I/V轉(zhuǎn)換模塊輸入端，將I/V轉(zhuǎn)換模塊輸出端連接到數(shù)字電壓表頭的輸入端，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，分別測定光電池在零偏和反偏時(shí)光電流與輸入光信號關(guān)系。在5~15mA內(nèi)等間距各測10組數(shù)據(jù)。比較零偏和反偏時(shí)的兩條曲線，求出光電池的飽和電流Is。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二、硅光電池池輸出拉接恒定負(fù)載時(shí)產(chǎn)出的光伏電壓與輸入光信號關(guān)系測定

將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“負(fù)載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負(fù)載電阻（R分別取1KΩ和10KΩ）和數(shù)字電壓表，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動(dòng)電流，測定光電池輸出電壓隨輸入光強(qiáng)度的關(guān)系曲線。

三、硅光電池伏安特性測定

輸入光強(qiáng)度不變時(shí)（驅(qū)動(dòng)電流分別取5mA和15mA），測定當(dāng)負(fù)載在0.5kΩ～9.5kΩ的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓隨負(fù)載電阻變化關(guān)系曲線。思考題1．光電池在工