硅光電池特性的研究實驗報告2.doc

硅光電池基本特性的研究太陽能是一種清潔能源、綠色能源，許多國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進行研究和利用。硅光電池是一種典型的太陽能電池，在日光的照射下，可將太陽輻射能直接轉(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，是應用極其廣泛的一種光電傳感器。因此，在普通物理實驗中開設硅光電池的特性研究實驗，介紹硅光電池的電學性質(zhì)和光學性質(zhì)，并對兩種性質(zhì)進行測量，聯(lián)系科技開發(fā)實際，有一定的新穎性和實用價值。實驗目的 1測量太陽能電池在無光照時的伏安特性曲線； 2.測量太陽能電池在光照時的輸出特性，并求其的短路電流 I SC 、開路電壓 UOC 、最大FF3.測量太陽能電池的短路電流 I 及開路電壓U 與相對光強 J /J0 的關系，求出它們的近似函數(shù)關系； 實驗原理 1、硅光電池的基本結(jié)構目前半導體光電探測器在數(shù)碼攝像光通信太陽電池等領域得到廣泛應用，硅光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領會半導體PN結(jié)原理光電效應理論和光伏電池產(chǎn)生機理。零偏反偏正偏圖 2-1. 半導體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū) 圖2-1是半導體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū)，當P型和N型半導體材料結(jié)合時，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型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行，當兩者達到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當PN結(jié)反偏時，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；當PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續(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)換過程是利用半導體 P-N 結(jié)的光伏效應（Photovoltaic Effect）進行的。在沒有光照時太陽能電池的特性可簡單的看作一個二極管，其正向偏壓 U 與通過電流 I 的關系式為： ， (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 庫侖），T 為絕對溫度， Io 是二極管的反向飽和電流，是理想二極管參數(shù)， 由半導體理論，二極管主要是由能隙為ECEV的半導體構成，如圖1所示。EC為半導體電帶，EV為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子會被半導體吸收，產(chǎn)生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內(nèi)電場的影響而產(chǎn)生光電流。 圖1假設太陽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）、一個理想二極管、一個并聯(lián)電阻與一個電阻所組成，如圖2所示。 圖2圖2中，為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，為光照時，通過太陽能電池內(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 ，太陽能電池可簡化為圖3所示電路。 圖3這里， 。在短路時，U0， ；而在開路時，I0， ； ， （4） （4）式即為在 和 的情況下，太陽能電池的開路電壓 和短路電流 的關系式。其中 為開路電壓， 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)開路電壓圖2-4 硅光電池開路電壓測試如圖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勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性，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度不變時，測量當負載一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化關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試(5)負載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖2-7所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。圖2-7 硅光電池負載特性的測定實驗儀器光具座、滑塊、白熾燈、太陽能電池、光功率計、遮光罩、電壓表、電流表、電阻箱、導線等實驗內(nèi)容1. 在沒有光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池正向偏壓時的IU特性（直流偏壓從03.0V）。 （1）設計測量電路圖，并連接。圖1 （2）利用測得的正向偏壓時IU關系數(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，用白色光源照射，測量太陽能電池一些特性。注意此時光源到太陽能電池距離保持為20cm。 （1）設計測量電路圖，并連接。圖2 （2）測量電池在不同負載電阻下，I對U變化關系，畫出IU曲線圖。（3）求短路電流和開路電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負載電阻。（5）計算填充因子3、測量太陽能電池的光照效應與光電性質(zhì)。在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白光源20cm水平距離光強作為標準光照強度，用光功率計測量該處的光照強度J0；改變太陽能電池到光源的距離x，用光功率計測量該處的光照強度J，求光強J與位置X關系。測量太陽能電池接受到相對光強度J /J0不同值時，相應的和的值。(1)設計測量電路圖，并連接。(2)測量太陽能電池接受到相對光強度J /J0不同值時，相應的和的值。(3)描繪和與相對光強J /J0之間的關系曲線，求和與相對光強J /J0之間的近似關系函數(shù)。(4)描繪和與相對光強J /J0之間的關系曲線，求和與相對光強J /J0之間的近似關系函數(shù)。 注意事項 1實驗測試結(jié)果會受到實驗室雜散光的影響，使用中盡量保持較暗的測試環(huán)境。 2連接電路時，保持電源開關斷開，以免發(fā)生觸電事故。 3.改變負載電阻，測量相應的負載電流時，適當安排測量點的分布：在估算的最佳負載電阻值附近的測量點應密，其他測量點可疏。4.由于各臺儀器使用的太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率、白熾燈的發(fā)射光譜存在一定的個體差異，而且實驗儀器所處的環(huán)境亮度不盡相同，這類因素均可能導致各臺儀器之間測量結(jié)果存在一定差異，但并不影響物理規(guī)律的反映。 問題與討論（1）如何確定硅光電池的內(nèi)阻？其大小與哪些因素有關？（2）實驗時光源的相對強度發(fā)生了變化，對測量結(jié)果有何影響？（3）什么是最佳匹配電阻？對給定的硅光電池如何確定其最佳匹配電阻？ 參