硅光電池實驗

YUNNANNORMALUNIVERSITY本科學(xué)生綜合性實驗報告學(xué)號114090523姓名羅朝斌學(xué)院 物電學(xué)院專業(yè)、班級光電子11實驗課程名稱硅光電池特性實驗教師及職稱 李宏寧開課學(xué)期2013至2014學(xué)年下學(xué)期填報時間 2014年 6月 14日云南師范大學(xué)教務(wù)處編印實驗序號二實驗名稱硅光電池特性實驗實驗時間2014年6月9日實驗室同析三209、實驗?zāi)康?、 了解光電池的工作原理、使用方法和應(yīng)用；2、 掌握光電池的光照特性及其測試方法；3、 掌握光電池的伏安特性及其測試方法；4、 掌握光電池的光譜特性及其測試方法；5、 掌握硅光電池的時間響應(yīng)特性及其測試方法。二、 實驗內(nèi)容1、 硅光電池短路電流的測量；2、 硅光電池開路電壓的測量；3、 零偏、反偏時光照-電流特性測量；4、 硅光電池光電特性測量；5、 硅光電池伏安特性測量；6、 硅光電池光譜特性測量；7、 硅光電池時間響應(yīng)特性測量。三、 實驗儀器光電技術(shù)創(chuàng)新綜合實驗儀一臺硅光電池實驗?zāi)K一塊光源輸出及測量實驗?zāi)K一塊連接導(dǎo)線若干實驗原理1、光電池的結(jié)構(gòu)和原理光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”的，它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。圖1是硅光電池原理圖，其中(a)為結(jié)構(gòu)示意圖，(b)為等效電路。電極圖2SC池的入射光強-電流電壓特性曲線V“隨入射光強按對數(shù)規(guī)律變化，1“電極圖2SC池的入射光強-電流電壓特性曲線V“隨入射光強按對數(shù)規(guī)律變化，1“與入射光強成線性關(guān)系。圖3光電池的入射光強-電流-負載特性曲線圖1硅光電池原理圖2、光電池的特性參數(shù)2.1光照特性這里討論光電池的光照特性，用入射光強-電流電壓特性和入射光強-負載特性來描述。入射光強-電流電壓特性描述的是開路電壓voc和短開路電流isc隨入射光強變化的規(guī)律，如卜圖所示。OC光電池用作探測器時，通常是以電流源形式使用，總要接負載電阻RL，這時電流記作IC,它與入射光強不再成線性關(guān)系，Rl相對光電池內(nèi)阻R越大，線性范圍越小，如下圖所示："入射光強-負載特性描述的是在相同照度下，輸出電壓、輸出電流、輸出功率隨負載變化的規(guī)律。如下圖所示:當RL<<當RL<<Rd時，好，線性范圍越大。，rl越小，線性度越當RL為x時，可近似看做開路，輸出電壓為VOC。隨著rl的變化，輸出功率也變化，當RlR^時，輸出功率最大，Rm稱最佳負載。2.2光譜特性光電池的光譜特性取決于所采用的材料。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，它適宜于測量可見光。如果硒光電池與適當?shù)臑V光片配合，它的光譜靈敏度與人眼很接近，可用它客觀的決定照度。硅光電池可以應(yīng)用的范圍是400?1100nm。峰值波長在850nm附近。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關(guān)，也和制造工藝有關(guān)，并且隨使用溫度的不同而有所移動。2.3伏安特性無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導(dǎo)體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓voc，與電流軸交點稱為短路電流isc。圖5給出了硅光電池的伏安特性曲線。它表示負載為電阻時，受光照射的硅光電池輸出電壓與電流的關(guān)系。負載的斜率由負載電阻決定，負載線與伏安特性曲線的交點M為工作點。負載電阻RL從硅光電池獲得的最大功率為Pm=Im?Um。圖5光電池的伏安特性曲線五、實驗注意事項1、 連線之前要保證電源關(guān)閉；2、 打開電源之前，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)至最小值；3、 若照度計、電流表或電壓表顯示為“1_”時說明超出量程，應(yīng)改為合適的量程再測試。六、實驗步驟組裝好光源、遮光筒和硅光電池結(jié)構(gòu)件探頭，如下圖所示：圖6光路結(jié)構(gòu)示意圖1、硅光電池短路電流的測量

LDBTJ1—1J2—LDBTJ1—1J2—1K2O.■BT1O O■BT2OTP1ISW-DPDT□J14圖7偏置電路1） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實驗箱電源；2） 鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；3） 將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；4） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導(dǎo)線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。J1連接電流表的正極，J2連接電流表的負極，測出50Lx照度下的短路電流（電路圖如下圖所示）；光電池+圖8短路電流測量電路5）重復(fù)以上方法，測出照度為100Lx......400Lx時的硅光電池的短路電流，將數(shù)據(jù)填入表1；表1光照度（Lx）50100150200300400光生電流（gA）0.360.681.001.352.112.756）關(guān)閉電源開關(guān)，照度值調(diào)至最小，作出光照度一短路電流特性曲線。2、硅光電池開路電壓的測量1） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實驗箱電源；2） 鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；3） 將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的」1、J2插孔，將J14接GND；J6連接J13,將光照度調(diào)為0。按下開關(guān)K1和K2,用示波器測量TP3點的電壓，調(diào)節(jié)W1使TP3點電壓為0；4） 將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上。打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度計顯示50Lx。將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔，將J14接GND，J6連接J13。按下開關(guān)K1和K2，用示波器測量TP3點的電壓U；5） 重復(fù)以上方法，測出照度為100Lx......400Lx時TP3點的電壓U，將數(shù)據(jù)填入表2；表2光照度（Lx）50100150200300400U（mV）2452542612652742806）關(guān)閉電源開關(guān)，照度值調(diào)至最小，作出光照度一開路電壓特性曲線。kk{壓電路開3、零偏、反偏時光照-電流特性測量1） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實驗箱電源；2） 鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；3） 將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；4） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度計顯示200Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導(dǎo)線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源

與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔連接電流表的正極，電流表的負極串接一個5.6K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）到J2。將結(jié)果記錄到表3中；5）拆掉電流表負極和RL1的連接，將電流表負極連接實驗儀主板可調(diào)電壓的GND2插孔，0-12V2插孔與RL1相連。電壓表正負極分別與0-12V2插孔、GND2插孔相連。順時針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，使其為2V，記錄該偏壓下硅光電池的光電流值，填入表3中；圖11零偏、反偏電路6）重復(fù)以上方法，測出偏壓分別為4V、6V、8V、10V時硅光電池的光電流，將數(shù)據(jù)填入表3；表3偏壓（V）0-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10光生電流（gA）1.881.891.891.891.891.901.901.952.072.142.177）關(guān)閉電源開關(guān)，照度值調(diào)至最小，作出200Lx光照度下的光電流-偏壓曲線;4、硅光電池光照特性測量1） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實驗箱電源；2） 鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔;

3） 將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；4） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導(dǎo)線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔串接一個4.7K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）再串接電流表到J2。將結(jié)果記錄到表4中；電壓源電壓源圖12硅光電池光照特性電路5） 將負載R換成分別換成RL2、RL3、RL4，分別記錄電流表的讀數(shù)，填入表4；6） 重復(fù)以上方法，分別測量光照度為100Lx、200Lx、300Lx下的光電流值，并記錄。關(guān)閉電源；表4電流值負載^照度值 ---4.7K(RL1)10K(RL2)47K(RL3)100K(RL4)50Lx0.920.920.920.90100Lx1.231.231.231.21200Lx1.821.821.811.67300Lx2.402.402.351.937）作出光電池的電流隨負載變化的電流-負載特性曲線。光電池的電路隨負載變化的電流——負載特性曲線2.62.4 .300LX曲線 J、、.2.22(1.8-——一一200LX曲線 P 電1.6三—七1.4*?- 1.2100LX曲線1?—- ?- r 50LX曲線 0.80 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100電阻(KQ)5、硅光電池伏安特性測量

1） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)照度計“調(diào)零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關(guān)閉實驗箱電源；2） 鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；3） 將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；4） 打開實驗箱電源，調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導(dǎo)線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔串接一個4.7K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）再串接電流表到J2。電壓表正極連接J1，負極連接J2。記下50Lx光照度下的光生電壓值和光生電流值，填入表5；圖13硅光電池伏安特性電路5）重復(fù)以上方法，測量照度分別為100Lx、200Lx、300Lx下的光生電壓值和光生電流值，填入表5；表5光照度（Lx）50100200300電流（gA）0.420.991.592.30電壓（mV）61424346）作出光電池在負載阻值為4.7KQ時的V-I曲線；光電池的電路隨負載變化的電流一一負載特性曲線4.7K負載曲線35l302520151050.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 2.4光生電流（mA） x10-37） 改變負載大小RL2、RL3、RL4，分別記錄電壓表和電流表的讀數(shù)，并填入表6、7、8、9；8） 作出這四種不同負載下硅光電池的V-I特性曲線，比較四條曲線的不同，并加以分析；

表6光照度（Lx）50100200300電流（gA）0.851.211.812.44電壓（mV）17243649表7光照度（Lx）50100200300電流（gA）0.841.261.902.48電壓（mV）4871107140表8光照度（Lx）50100200300電流（gA）0.330.601.771.98電壓（mV）3665193216四種不同負載下硅光電池的V-I特性曲線:光電池的電路隨負載變化的電流一一負載特性曲線250「200100K負載曲線100501501005047K負載曲線10K負載曲線?4.7K負載曲線0.5 1 1.5 2 2.5光生電流（mA） x10-3分析：電阻越大，硅光電池負載特性越好。照度一定時，電阻阻值越大電流越小。電阻越大，硅光電池負載特性越好。照度一定時，電阻阻值越大電壓越高。（9）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。6、硅光電池光譜特性測量實驗方法與短路電流測試方法基本一樣，不同點就是光源采取全彩燈光源，光源及測量模塊的航空插座FLED-IN與全彩燈光源套筒后端蓋航空插座對應(yīng)插接。打開光源及測量實驗?zāi)K電源開關(guān)K1，將光源及測量實驗?zāi)K的S1，S2，S3開關(guān)向下?lián)埽ㄟ^控制K2、K3、K4開關(guān)，調(diào)節(jié)光源顏色和光強大小。在相同照度（100Lx）下，測得光電流，填入表9,并作出曲線。實驗完畢，拆除所有連線。將光照度調(diào)節(jié)旋鈕都逆時針旋到底。表9\光源顏色-光電流I5 \照度（Lx） -紅綠藍黃青紫500.310.310.250.210.250.263.實驗總結(jié)1） 討論分析硅光電池零偏和負偏的區(qū)別？答：硅光電池原理上其實是一個二極管。在檢測光照或光強的時候，這個二極管在電路中是反接的，處于截止狀態(tài)的，有光照的時候，會產(chǎn)生電流