硅光电池实验报告

光电探测实验报告

系别：电子信息工程学院

班级：光电08305班

组长：李元帅

组员：许满，王成，张舒红，

王俐刚，蒋鹏举，罗立

实验名称：硅光电池特性测试实验

实验组名：第一组

实验时间：2010年四月六号

指导教师：王凌波

2010年四月十八号

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、硅光电池短路电路测试实验

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，50cm） 10根

5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10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。

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，结果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，当两者达到平衡时，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PN 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表面的光能转化为电能，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，入射光子将把处于介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飘移到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 结两端的电流可由式1确定

式（1）中Is 为饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为绝对温度，Ip 为产生的光电流。

从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN 结的电流I=Ip ；当光电池处于反偏时（在本实验中取V=-5V ），流过PN 结的电流I=Ip-Is ，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必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Ip 与输入光功率Pi 有以下关系：

3、硅光电池的基本特性

(1) 短路电流

电极

(a )

(b )

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， 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。

）

（1 )1(p kT

eV s I e

I I +-=(2)

i p RP I =图 2-2.光电池结构示意图

(2)开路电压

电极

(a)

(b)

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。

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关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

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，

0.3 0.2 0.1 0 光

生

电 流 / m A

0.6 0.4 0.2 0 2 000 4 000

短路电流 开路电压 光 生 电

压 / V 光照度 /Lx

当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，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。

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400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm，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

图2-9 硅光电池的光谱曲线

（6）时间响应与频率响应

实验证明，光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化，会有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。为衡量其长短，常用时间常数τ的大小来表示。当用一个辐射脉冲光电探测器，如果这个脉冲的上升和下降时间很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从10%上升到90%峰值处所需的时间称为探测器的上升时间，而把从90%下降到10%所需的时间称为下降时间。如图所示

(b)

图2-10 上升时间和下降时间

（a）入射光脉冲方波（b）响应时间

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、实验步骤

1、硅光电池短路电流特性测试

实验装置原理框图如图2-11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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关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照度调节旋钮，使照度值依次为下表中

（6）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。

2、硅光电池开路电压特性测试

实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，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。

（3）“光源驱动单元”的三掷开关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2-12所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的光照度值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。

（4）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。

（5）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。 （6）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

3、硅光电池光照特性

（1）根据实验1和2所调试的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。

（2）改变不同光照度的取值，重复实验1和实验2，并作出相应硅光电池的光照电流电压特性曲线。

4、硅光电池伏安特性

实验装置原理框图如图2-13所示。

图2-13 硅光电池伏安特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。 （2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。 （3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（4）电压表档位调节至2V 档，电流表档位调至200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R 取值为200欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至500lx 。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；

（6）关闭电源，将R 分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

（7）改变光照度为100Lx 、300Lx ，重复上述步骤，将实验结果填入下表。 100 lx ：

电阻 200 2K 5.1K 7.5K 10K 15K

20K 25K 51K 200K 电流 电压

电阻 200 2K 5.1K 7.5K 10K 15K

20K 25K 51K 200K 电流 电压

300 lx ：

（8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。

（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

5. 硅光电池负载特性测试实验

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。 （2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。 （3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（4）电压表档位调节至2V 档，电流表档位调至200uA 档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R 取值为2K 欧。

（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至0Lx ，100Lx ，200Lx ，300Lx

（7）关闭电源，将R 分别换为510， 1K ，

5.1K ， 10K 重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。 R=510

R=1K

电阻 200 2K 5.1K 7.5K 10K 15K 20K 25K 51K 200K 电流 电压

（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。

6、硅光电池光谱特性测试

当不同波长的入射光照到光电二极管上，光电二极管就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度LED （白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm 离散光谱。 光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长λ的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为

)()()(λλλP V v =

?或)()

()(λλλP I i =

?

式中，)(λP 为波长为λ时的入射光功率；)(λV 为光电探测器在入射光功率)(λP 作用下的输出信号电压；)(λI 则为输出用电流表示的输出信号电流。 本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有

)()(λλf f

U UK

?=

?

式中，

f

U 为基准探测器显示的电压值，K 为基准电压的放大倍数，

)

(λf ?为基准探测器的

响应度。取在测试过程中,

f

U 取相同值,则实验所测测试的响应度大小由

)

()(λλf U ?=?的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。

图2-14 基准探测器的光谱响应曲线

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。

（3）将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V ，

关闭电源。

（4）按如图2-12连接电路图.

（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。

（注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。

（8）根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。

7、硅光电池时间响应特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（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使用彩排数据线相连。（2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“脉冲”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（3）按图2-13所示的电路连接电路图，负载RL选择RL=2K欧。

（4）示波器的测试点应为光电三极管的电阻两端，为了测试方便，可把示波器的测试点使用迭插头对引至信号测试区的TP1和TP2；

图2-13

（5）打开电源，白光对应的发光二极管亮，其余的发光二极管不亮。用示波器的第一通道与接TP和GND（即为输入的脉冲光信号），用示波器的第二通道接TP2。

（6）观察示波器两个通道信号，缓慢调节直流电源电位器直到示波器上观察到信号清晰为止，并作出实验记录（描绘出两个通道波形）。

（7）缓慢调节脉冲宽度调节，增大输入脉冲的脉冲信号的宽度，观察示波器两个通道信号的变化，并作出实验记录（描绘出两个通道的波形）并进行分析。

（8）实验完毕，关闭电源，拆除导线。

七.实验结果

1、硅光电池短路电流特性测试

2、硅光电池开路电压特性测试

3、硅光电池光照特性

4、硅光电池伏安特性 500LX

100LX

300LX

5. 硅光电池负载特性测试实验 R=2K

电阻 200

2K 5.1K 7.5K 10K 15K

20K 25K 51K 200K 电流 85.2

83.9 57.5 42.3 34.2 18.2 7.5 1.9 电压 100

230 330 331 332 334 350 400 电阻 200

2K 5.1K 7.5K 10K 15K 20K 25K 51K 200K 电流 17.0

17.0 17.0 16.9 16.5 13.9 6.4 2.0 电压 20

50 90 150 260 291 310 350 电阻 200

2K 5.1K 7.5K 10K 15K 20K 25K 51K 200K 电流 50.9

50.1 47.6 38.3 31.6 17.3 7.2 1.9 电压 20

140 240 310 320

330

340

390

0.3 0.2 0.1 0 光

生 电 流

/ m A 0.6

0.4 0.2

2 000 4 000

短路电流

开路电压

光

生 电

压 /

V 光照度

/Lx

R=1K

R=10K

6、硅光电池光谱特性测试

八.实验总结

通过此次实验，我们了解到了光敏电阻，光电池，光电二极管等光电器件的结构，特性，和工作原理，认识到了光电器件在不同环境下的性质变化以及他们的基本运用，掌握了不少光电探测器件使用的知识。在此感谢老师的指导和教诲，我们一定会继续努力学好光电探测，多动脑筋多思考，多动手多实践，认真学习理论知识，以应对社会的发展，满足企业的需要，争取做出成绩来，回馈母校，回报社会！

硅光电池特性及其应用

硅光电池的特性及其应用 一、实验目的 1、初步了解硅光电池机理 2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系 3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 二、实验原理 在P 型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n 结（如右图），由于光照，在A 、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。 实验表明：当硅光电池外接负载电阻L R ，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R ，而LB R 则取决于硅光电池的内阻Ri= SC OC I V ，因此OC V 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。 FF 是表征硅光电池性能优劣的指标，称为填充因子。 FF 越大，硅光电池的转换效率越高。 FF= VocIsc Pm (1) 图b 是硅光电池的等效电路，在一定负载电阻L R 范围内硅光电池可以近似地视为一个电流源PS I 与内阻i R 并联，和一个很小的电极电阻S R 串联的组合。 三、实验内容 图a 开路电动势、短路电流 与光强关系曲线 图b 太阳能电池等效电路

1、测量开路电动势OC V 与光强D I 的关系，将数据记录表1，并绘制并绘制D I ～OC V 曲线。(将功能开关切换到OC V ) 2、短路电流SC I 的测量 将功能开关切换到SC I ，调节DC 0-1V 电源S U 输出，使微安表读数0I 为10.00-18.00μA （建议取10.00μA ）。 在某一光强D I 下，改变可调电阻R ，使流过检流计（G ）的电流G I 为零。此时AB 两点之间和AC 两点之间的电压应相等,即AB V =AC V 。因而I R=00r I ,即短路电流 SC I =I = R r I 0 0 (r 0为微安计内阻，为10K Ω) 测量不同光强下，短路电流SC I 与光强D I 的关系，将数据记入表2，并绘制SC I ～D I 曲线。 测量开路电压OC V 线路图 测量短路电流SC I 线路图

硅光电池特性测试实验报告

硅光电池特性测试实验报告 系别：电子信息工程系 班级：光电08305班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010年4月2日 指导老师：王凌波 2010.4.6

目录 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结

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、硅光电池短路电路测试实验 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，50cm） 10根 5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10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。 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

硅光电池特性研究

综合设计实验小论文 硅光电池特性研究

摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图 关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流 1 实验原理 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，深入学习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的机理。 1.1 PN结的形成及单向导电性 如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，另一方面对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）起推动作用，使它们越过空间电荷区进入对方区域。少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。在一定条

硅光电池特性的研究实验报告2

硅光电池基本特性的研究 太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 [实验目的] 1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线； 2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压 U OC、最大FF 3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系； [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。 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，结果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，当两者达到平衡时，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PN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，

硅光电池伏安特性

实验 项目： 硅光电池伏安特性（综合设计 2-1） 实验 目的： 了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 实验 仪器： DH-CGOP 型光敏传感器实验仪（包括灯泡盒，硅光电池 PHC，直流恒压源 DH-VC3，九孔板实验箱，电阻箱，导线） 实验 原理： 硅光电池的工作原理 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、 金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可 挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质 受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。 光电二极管是典型的光电效应探测器，具有量子噪声低、响应快、使用方便等优点，广泛用于激光探测器。外加反 偏电压与结内电场方向一致，当 PN 结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空 穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向 N 区，空穴被拉向 P 区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的 光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及 通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。这种变化在入射光强度很大的动态范围内仍能保持线性关系。 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表面的光能转化为电能，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 1 所示，当半导体 PN 结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
图 1 光 电池结 构示意 图
图1
光电池结构示意图

实验五十二硅光电池特性的研究(精)

234 实验五十二 硅光电池特性的研究 一、实验目的 1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．了解LED 发光二极管的驱动电流 和输出光功率的关系； 3．掌握硅光电池的工作原理及其工 作特性。 二、仪器设备 1．TKGD ―1型硅光电池特性实验仪； 2．信号发生器； 3．双踪示波器。 三、实验原理 1．引言 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。 图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，结果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，当两者达到平衡时，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PN 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.LED 的工作原理 当某些半导体材料形成的PN 结加正向电压时,空 穴与电子在PN 结复合时将产生特定波长的光，发光的 波长与半导体材料的能级间隙E g 有关。发光波长λp 可由下式确定： 式(1)中h 为普朗克常数，c 为光速。在实际的半导体 材料中能级间隙E g 有一个宽度，因此发光二极管发出 光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25～ 40nm 左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极 管输出光功率P 与驱动电流I 的关系由下式决定： 式(2)中，η为发光效率，E p 是光子能量，e 是电荷常数。 输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN 结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动（1） （2） g p E hc /=λe I E p p /η= 零偏 反偏 正偏 图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图 3. LED 发光二极管的正弦信号调制原理

硅光电池实验课堂指导及实验报告要求

硅光电池实验课堂指导及实验报告要求 提示：本材料始终实验室保存，并供所有实验同学使用。保持材料的整洁，不作标记、批注。本周内实验中心将开始提供实验指导册，其中包含本材料内容。请及时与中心联系，tel：66366787。 硅光电池测量实验室 编号： 硅光电池基本特性研究 光电池又称光伏电池。光电池的种类较多，如硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。其中硅光电池具有较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便，因而得到广泛应用。本实验研究硅光．电池的基本特性。 硅光电池可以用作光信号探测器，在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。另一方面硅光电池可将太阳能转换成电能，如果把许多硅光电池科学地串联或并联起来，可以建成太阳能发电站，为人类更有效地利用太阳能开辟新道路。 本实验要求通过对硅光电池基本特性的测量，了解和掌握其特性及有关的测量方法，进而对日益广泛使用的各种光

电器件有更深入的了解。 实验原理在P型硅片上扩散一层极薄的N型层，形成PN结，再在该硅片的上下两面各制一个电极，这样构成了硅光电池，如图一所示。负极增透膜N型PN结P型正极图一硅光电池的结构及符号当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子－空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达PN结附近时受PN结内电场的作用，空穴向P 区迁移，使P区显示正电性，电子向N区迁移，使N区带负电，因此在PN结上产生了电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。 硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图二所示。 1．在无光照时，光(生)电流Iph0，光电池可以简化为二极管。根据半导体理论，流经二 极管的电流Id与其两端电压的关系符合以下经验公式2 IdII0eV1 式中和I是常数。 0IdI+IphIphV-图二光电池简化等效电路图三光电池等效为二极管2．有光照时，Iph>0，光电池端电压与电流的关系为：IIdIphI0eV1Iph ，可以得到以下结论：①当外电路短路时，短路电流IscIph，光电流全部流向外电路。②当外

硅光电池特性的研究

硅光电池特性的研究 一、实验目的 1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。 二、仪器设备 MD-GD-3型硅光电池特性实验仪； 三、实验原理 1．引言 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﹑光伏电池产生机理。 图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，结果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，当两者达到平衡时，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PN 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 把入射到它表面的光能转化为电能，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，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，硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 零偏 反偏 正偏 图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图 2.光电池结构示意 硅光零偏 图 3.光电池光电信号接

硅光电池特性测试实验

1、学习掌握硅光电池的工作原理 2 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2 3、硅光电池光电特性测试实验 4 5、硅光电池负载特性测试实验 6 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪 器 、学习掌握硅光电池的基本特 性 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， 50cm) 10 根 四、 实验原理 1、硅光电池的基本结构 零偏 反偏 、硅光电池伏安特性测试实验 、硅光电池时间响应测试实验 5 、 2#迭插头对（黑色， 50cm) 10 根 6、 三相电源线 1 根 7、 实验指导书 1 本 8、 20M 示波器 1 台 正偏 实验系列四、硅光电池特性测试 实验 光通路组件 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，一半给等测光器件，实验测试 方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。 一、实验目的 光调制控制输入端 图 2 硅光电池光通路组件 图 2-1. 半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下 、硅光电池开路电压测试实验

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表面的光能转化为电能， 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。 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 射光子将把处于介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飘 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 结两端的 电流可由式 1 确定 eV I I s (e kT 1) I p 式( 1)中 Is 为饱和电流， V 为 PN 结两端电压， 从式中可以看到，当光电池处于零偏时， V=0，流过 时(在本实验中取 V=-5V)，流过 PN 结的电流 I=Ip-Is 光电池必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 光功率 Pi 有以下关系： I p RP i 电压表如显示不( b 同) 的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。 (4) 伏安特性 在硅光电池输入光强度不变时， 测量当负载一定 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关系曲线称为硅光电池的伏安特性。 (5) 负载特性 ( 输出特性 ) 在内电场作用下， 入射光子由于内光电效应把处于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， 当负载很小时， 电流较小而电压较 大；当负载很大时，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。 (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 400~1100nm ，峰值波长为 800~900nm ，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm ，因此， 实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势 五、实验步骤 1、硅光电池短路电流特性测试 (1) T 为绝对温度， Ip PN 结的电流 I=Ip ； ，因此，当光电池用作光电转 换器时， 为产生的光电流。 当光电池处Ip 与输入 (2) 3、硅光电池的基本特 性 (1) (2) 短路电流 不同的光照的作用下， 开路电压 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。 (3) 不同的光照的作用下， 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， 硼扩散层 N 型硅片

硅光电池特性研究实验

硅光电池特性研究实验 【实验原理】 在p 型硅片上扩散一层极薄的n 型层，形成pn 结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。光电池的符号见图5.7.1(b)。 当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn 结附近时受pn 结内电场的作用，空穴向p 区迁移，使p 区显示正电性，电子向n 区迁移，使n 区带负电，因此在pn 结上产生电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。 硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。 (1)在无光照时，光(生)电流0ph I =，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。根据半导体理论，流 经二极管的电流d I 与其两端电压的关系符合以下经验公式 0(1)V d I I I e β==- （5.7.1） 式中：β和0I 是常数。 (2)有光照时，ph I >o ，光电池端电压与电流的关系为

0(1)V d ph ph I I I I e I β=-=-- (5.7.2) 由式(5.7.2)，可以得到以下结论： ①当外电路短路时，短路电流sc ph I I =-，光电流全部流向外电路。 ②当外电路开路时，开路电压1ln 1ph oc o I V I β??= +????即1ln 1sc oc o I V I β??=+????，开路电压oc V 与短路电流sc I 满足对数关系；如果sc I 与光通量(或照度)有线性关系，则oc V 与光通量也满足对数关系。 由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大。因此，在入射光能量不变化的情况下，要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当的值。 【预习要求】 (1)通过预习，了解硅光电池的工作原理，大致了解实验内容。 (2)写预习报告，按要求在数据记录纸上画好待填表格。 【实验报告要求】 (1) 记录实验过程，包括实验步骤、各种实验现象和数据处理等。 (2)分析各实验结果并要得到结论。可就实验中涉及的、你感兴趣的1～2个问题作较深入讨论。 (3)实验曲线可用计算机绘制(推荐用Excel 软件)，也可手画。 ①用原始数据表5.7.1的数据，画出InI~v 曲线。如果是直线，计算β和O I (利用条件I>>O I )，写出在没有光照情况下光电池的端电压(正向偏压)与电流之间的经验公式，由此可以间接验证经验公式(5.7.1)。 ②利用数据表5.7.2的数据，作出Isc 与光通量?的关系曲线，设?与1/L2的比系数等于1，由曲线得到什么结论? ③根据表5.7.3，画出sc I α-曲线，它是什么曲线? ④根据表5.7.4、5.7.5，在一张图上分别画出光电池输出电压与负载电阻、输出电流与负载电阻的关系曲线，并由此在同一图上得到负载电阻与输出功率的关系；确定光电池的最大输出功率Pm 以及最大输出功率时的负载电阻Re(最佳匹配电阻)。 ⑤利用表5.7.6、5.7.7、5.7.8、5.7.9，在一张图上分别画出上下两片光电池的伏安特性以及它们串、并联后的伏安特性，从四条曲线能得到什么结论? ⑥根据表5.7.10，画出sc I λ-关系图，此图说明什么? 【思考题】 (1)光电流与短路电流有什么关系? (2)对实验中所用滤光片的透射曲线应有什么要求? (3)严格地说，本实验得到的光电池光谱特性并不能准确描述光电池对入射光中各频率分量的响应特性，或者说，这样得到的光谱特性，还包含了其他因素的影响，这些影响因素是什么? (4)通过实验，对光电池总体有什么认识? (5)硅光电池是一种半导体元件，人们在研究半导体元件的外特性时，通常要研究它们的温度

硅光电池特性测试实验

硅光电池特性测试实验 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、硅光电池短路电路测试实验 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 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、硅光电池封装组件 1套 4、光照度计 1台 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、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。 零偏反偏正偏

图4-1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，结果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，当两者达到平衡时，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PN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表面的光能转化为电能，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3，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飘移到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结两端的电流可由式1确定

硅光电池特性测试实验报告

硅光电池特性测试实验报 告 系别：电子信息工程系班级：光电08305 班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武实验时间：2010年4月2日指导老师：王凌波 目录

一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结

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硅光电池短路电路测试实验 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， 50cm ) 10 根 5、 2#迭插头对（黑色， 50cm ) 10 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。 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，结果 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， 当两者达到平衡时，在 PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流 零偏 反偏 正偏

硅光电池特性

硅光电池特性及应用研究 一、 实验目的 1. 了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性。 2. 测量太阳能电池板的负载特性及短路电流SC I 、开路电压OC U 并计算最大输出功率m p 和填充因子FF 。 二、 实验仪器 硅光电池，太阳能电池板，光学导轨及支座附件，光源，电源，光功率计，聚光透镜，5 图1 三、 实验原理 太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。本实验通过对太阳能电池的电学性质和光学性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为： )1(-=U o e I I β， (1) (1)式中，o I 和β是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。E C 为半导体导电带，E V 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。 图2

假设硅光电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图3所示。 图3 图3中，ph I 为硅光电池在光照时该等效电源输出电流，d I 为光照时，通过硅光电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： 0)(=---+sh d ph s R I I I U IR ， （2） （2）式中，I 为硅光电池的输出电流，U 为输出电压。由（2）式可得， d sh ph sh s I R U I R R I --=+ )1(， （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，硅光电池可简化为图4所示电路。 图4 这里，)1(0--=-=U ph d ph e I I I I I β。 在短路时，U ＝0，sc ph I I =； 而在开路时，I ＝0，0)1(0=--oc U sc e I I β； ∴ ]1l n [1 += I I U sc OC β， （4） （4）式即为在∞=sh R 和0=s R 的情况下，硅光电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。可看出开路电压OC U 与

硅光电池特性测试实验

硅光电池特性测试实验 1 实验目的 通过测试太阳能电池的短路电流、开路电压，绘制I-V特性曲线并计算填充因子，理解太阳能电池的工作原理及基本特性。 2实验原理 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，深入学习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的机理。 2.1硅光电池的工作原理 光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。光电 1

2 二极管是典型的光电效应探测器。当PN 结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N 区，空穴被拉向P 区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系。 2.2 硅光电池的伏安特性 硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如上图所示，当半导体PN 结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是 1eV kT s I I e ??=- ??? （1）

硅光电池特性的研究

实验九 硅光电池特性的研究 光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究． 【实验目的】 1．研究硅光电池的主要参数和基本特性； 2．利用硅光电池设计一项具体应用． 【实验原理】 1．硅光电池的照度特性 硅光电池是属于一种有PN 结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P 区和N 区集结，使PN 结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应． （1）硅光电池的短路电流与照度关系 当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ，此电流方向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为 ??????????????????=?=1n exp 0T k qV I I I I I B Ph D Ph （1） 式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，当光电池被短路（负载电阻为零），V = 0，由（1）式可得到短路电流 Ph SC I I = （2） 硅光电池短路电流与照度特性见图1． （2）硅光电池的开路电压与照度关系 当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压 ????????+=1ln 0I I q T nk V SC B OC （3） - 47 -

测试实验7硅光电池

北京工业大学 机械工程及应用电子技术学院 测试技术基础 实验报告 姓名： 学号： 同组成员： 成绩： 2015.12

实验七硅光电池特性测试实验 一、实验目的 1.深入了解光敏二极管的工作原理、基本结构、性能及应用 2.了解NI数据采集卡的基本应用 3.了解利用虚拟仪器进行信号处理的方法 二、实验仪器 光电传感器实验模块、恒流源、直流稳压电源、数显单元、NI数据采集卡等。 三、实验原理 光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，它的核心部分是一个PN结。为了便于接受光照，PN结面积较大，电极面积较小，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。 光电二极管主要利用光电效应，当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射半导体材料表面是，会被这些材料内的电子吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子会挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子叫光电子，这种现象称为光电子发射或外光电效应。当外加偏置电压与结内电场方向一致，PN结及其附近被光照射时候，就会产生载流电子（及电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区形成光电流。当入射光强变化时，光生载子流的浓度及通过外回路的光电流也随之变化，这种变化一般保持线性关系。 当没有光照时，光电二极管相当于普通二极管。伏安特性为 式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为二极管两端电压。I随V指数增长，称为正向电流，当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流为常数。 当有光照时候，流过PN结两端的电流： 式中I为总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，T为工作绝对温度，V为PN结两端电压，Ip为反向光电流。从式中可以看出，当光电二极管处于零偏时，V=0，I=Ip，当光电二极管负偏时（取-4V），I=Ip-Is。因此，光电二极管用作光电转换

硅光电池实验-大学物理实验

实验4.3硅光电池的光照特性 太阳能是一种清洁能源、绿色能源,世界各国都十分重视对太阳能的利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池,在日光的照射下,可将太阳辐射能直接转换为电能,是应用极其广泛的一种光电传感器。 [ 僂??] 1.了解硅光电池的基本特性; 2.测绘硅光电池的光照特性曲线; 3.学习用电流补偿法测定硅光电池的短路电流及负载电流。 [ 僂 ?] 半导体受到光的照射而产生电动势的现象,称为光生伏特效应。硅光电池是根据光生伏特效应的原理做成的半导体光电转换器件。 硅光电池的结构如图4.3.1所示。在一块N型硅片上用扩散方法掺入一很薄的P 型层,形成PN结,在P型层引出正极引线,在N型层引出负极引线即成。其形状有圆盘形、长方形等。 图4.3.1硅光电池结构示意图 当光照射到P型层的外表面时,光可透过P区进入N区,照射到PN结。当光子的能量大于硅的禁带宽度时,光子能量便被硅晶格所吸收,价带电子受激跃迁到导带,形成自由电子,而价带则形成自由空穴,使得PN结两边产生电子-空穴对,如图4.3.2所示。凡是扩散到PN结部分形成的内电场的电子-空穴对,都要受到内电场E的作用,电子被 41 1

推向N区,空穴被推向P区,从而产生P为正N为负的电动势。若接入一负载,只要有光不断照射,电路中就有持续电流通过,从而实现了光电转换。 图4.3.2光生伏特示意图 光电池在一定光照下,负载无限大(开路)时,其极间电压称为开路电压,开路电压U oc的大小与光照强度L的对数呈线性关系,如图4.3.3(a)(b)所示。负载电阻为零(即短路)时,光电池的输出电流称为短路电流。短路电流I sc的大小与光照强度L呈线性关系,如图4.3.3(c)所示。 光电池的输出端接一负载电阻时,有对应的端电压、负载电流和输出功率。负载电阻R为最佳匹配电阻时,输出功率P最大,能量转换效率最高,如图4.3.3(d)所示。这是在一些实际应用中必须考虑的问题。 图4.3.3硅光电池光照特性曲线 用点光源照射光电池时,光照强度L与光电池受光面到光源距离的平方r2成反比。 41 2

硅光电池特性实验(共三个实验) (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。

实验四 光电池特性测试

实验四光电池特性测试 实验原理: 光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的p-n结光电器件。按用途光电池可分为两大类，即太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低。测量光电池的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置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、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。光电池核心部分是一个p-n结，一般做成面积较大的薄片拉来接收更多的人射光。 根据光电池的结构和其光生伏特效应的工作原理,当负载接入PN两极（电路中的E）后即得到功率输出。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。因此设计出如下伏安特性测试电路，见图4-1。并且有理想的伏安特性曲线，如图4-2。 图4-2硅光电池伏安特性曲线图4-3光电池的光照特性曲线当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流ph I；同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流D I，此电流方向与光生电流方向相反。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V为0.负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。

图4-3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。 实验所需器件: 两种光电池、各类光源、实验选配电路、电压表（万用表）自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配） 实验步骤: 图7-1为光电池结构原理及测试电路，图中E为光电池。 1.光电池短路电流测试： 光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后（图7-1左）,应选用相对小得多的负载电阻。(这样所测得的电流近似短路电流)，试用阻值为1、5、10、20、30Ω或更大的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照射 光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小（小于20欧姆），光电流与光强的线性关系就越好。 2.光电池光电特性测试： 光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。 如图4-4所示，组装好光通路组件，用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或4 1/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与光电池的距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，并将测试数据整理制成表格。 图4-4光电特性实验装置原理框图 3.硅光电池的伏安特性测试 按照图4-5所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻(从0Ω调至5KΩ),由实验者自行连接到电路中。光源用白炽灯灯，分别选用“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。 图4-5伏安特性实验装置原理框图