硅光電池特性實驗(共三個實驗)(1)

1、 第一章 硅光電池綜合實驗儀說明一、內(nèi)容簡介光電池是一種不需外加偏置電壓，就能將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的PN結(jié)光電器件。按光電池的用途可分為兩大類：太陽能光電池和測量光電池。太陽能光電池主要用做電源，對它的要求是效率高、成本低。由于它具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、可靠性高、壽命長、能直接利用太陽能轉(zhuǎn)換成電能的特點，因而它不僅成為航天工業(yè)上的重要電源，還被廣泛地應用于供電困難的場所和人們的日常生活中。測量光電池的主要功能是作光電檢測用，即可在不加偏置電壓的情況下將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩(wěn)定性好和壽命長，因而它被廣泛應用在光度、色度、光學精密計量和測試中。

2、GCSIDC-B型硅光電池綜合實驗儀從了解和熟悉硅光電池的角度出發(fā)，討論關(guān)于硅光電池的主要技術(shù)問題，主要研究硅光電池的基本特性，如短路電流、光電特性、光譜特性、伏安特性、及時間響應特性等等，以及硅光電池的簡單應用。本實驗儀電路PCB板與光通路組件各占一部分置于箱體內(nèi)，這樣不僅可以讓學生對整個實驗系統(tǒng)的光通路一目了然，增強學生對系統(tǒng)的理解，而且外觀美觀大方，攜帶存放方便。在電路PCB板部分，模塊化設(shè)計，配有獨立的電壓表、電流表和獨立照度計，各表頭顯示單元和各種調(diào)節(jié)單元都放在面板上，學生做實驗時只需要簡單連線即可實現(xiàn)相應的功能。連線、調(diào)節(jié)、觀察和記錄都很方便。實驗箱還配備有200歐至500千歐不同

3、阻值的電阻，可供學生配合其它元件自己動手搭建實驗之用，提高學生動手動腦能力。二、實驗儀說明1、電子電路部分結(jié)構(gòu)分布說明：（1）電壓表：獨立電壓表，可切換三檔，200mV，2V，20V，通過撥段開關(guān)進行調(diào)節(jié)，白色所指示的位置即為所對應的檔位。 “+”“-”分別對應電壓表的“正”“負”輸入極。（2）電流表：獨立電流表，可切換四檔，200uA，2mA，20mA，200mA通過撥段開關(guān)進行調(diào)節(jié)，白色所指示的位置即為所對應的檔位?！?”“-”分別對應電流表的“正”“負”輸入極。（3）照度計電源：紅色為照度計電源正極，黑色為照度計電源負極。2、光通路組件圖2 硅光電池光通路組件功能說明：分光鏡：50%透過

4、50%反射鏡，將平行光一半給照度計探頭，一半給待測光器件，實驗測試方便簡單，照度計可實時檢測出待測器件所接收的光照度。光器件輸出端：紅色硅光電池“+”極 黑色硅光電池“-”極- 12 -第二章 實驗指南一、實驗目的1、學習掌握硅光電池的工作原理2、學習掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測試方法4、了解硅光電池的基本應用二、實驗內(nèi)容1、硅光電池短路電流測試實驗2、硅光電池開路電壓測試實驗3、硅光電池光電特性測試實驗4、硅光電池伏安特性測試實驗5、硅光電池負載特性測試實驗6、硅光電池時間響應測試實驗7、硅光電池光譜特性測試實驗設(shè)計實驗1：硅光電池光控開關(guān)電路設(shè)計實驗設(shè)計實驗2：簡易光照

5、度計設(shè)計實驗三、實驗儀器1、硅光電池綜合實驗儀 1個2、光通路組件 1只3、光照度計 1臺4、2#迭插頭對（紅色，50cm） 10根5、2#迭插頭對（黑色，50cm） 10根6、三相電源線 1根7、實驗指導書 1本8、20M 示波器 1臺四、實驗原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu) 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(lǐng)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(lǐng)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

6、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，因此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

7、池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖2-2，當半導體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，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)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖 2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（1）中Is為反向飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當光電池處于零偏時，V=

8、0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)。光電池處于零偏或反偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下關(guān)系：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

9、動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性，如圖2-5。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，測量當負載在一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化的關(guān)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)光電效應把處于價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，當負載很大時，電流較小而電壓較大；當負載很小時，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

10、硅光電池負載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量）呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特性。實際使用時都接有負載電阻RL，輸出電流IL隨照度（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負載特性曲線如圖2-8所示。圖2-8 硅光電池光照與負載特性曲線(5) 光譜特性 一般光電池的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生短路電流與入射光波長之間的關(guān)系。一般用相對響應表示，實驗中硅光電池的響應范圍為40

11、01100nm，峰值波長為800900nm，由于實驗儀器所提供的波長范圍為400650nm，因此，實驗所測出的光譜響應曲線呈上升趨勢，如圖2-9所示硅光電池頻率特性曲線。圖2-9 硅光電池的光譜曲線五、注意事項1、當電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程，應更換為合適量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。3、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。六、實驗內(nèi)容和步驟 （共有三個實驗）（一）實驗一：硅光電池的伏安特性1、硅光電池短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-11所示。 圖2-11 硅光電池短路電流特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探

12、頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）將三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-11所示的電路連接電路圖（5）打開電源，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中各值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）（6）上表中所測得的電流值即為硅光

13、電池相應光照度下的短路電流。（7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。（8）根據(jù)表格中的實驗數(shù)據(jù)，作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電流特性曲線（即光生電流隨光照度變化的曲線）。2、硅光電池開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-12所示。圖2-12 硅光電池開路電壓特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）將三擲開關(guān)BM2撥到“靜

14、態(tài)”，撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-12所示的電路連接電路圖（5）打開電源，順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的各值，分別讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生電壓（mA）（6）上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應光照度下的開路電壓。（7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。（8）根據(jù)表格中的實驗數(shù)據(jù)，作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電壓特性曲線（即光生電壓隨光照度變化的曲線）。3、硅光電池伏安特性實驗裝置原理框圖如圖2-13所示。 圖2-13 硅光電池伏安特性測試

15、（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）將三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖2-13所示的電路連接電路圖，R取值為200歐，打開電源順時針調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至500lx。記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；（6）關(guān)閉電源，將

16、R分別換為下表中的電阻值，重復上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。電阻2002K5.1K7.5K10K20K51K200K電流電壓（7）改變光照度為100Lx、300Lx，重復上述步驟，將實驗結(jié)果填入下表。100 lx：電阻2002K5.1K7.5K10K20K51K200K電流電壓300 lx：電阻2002K5.1K7.5K10K20K51K200K電流電壓（8）根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進行分析。（9）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。（10）計算（或給出）三條伏安特性曲線中的電池性能參數(shù)：短路電流Isc，開路電壓Voc，最大輸出電流

17、Im，最大輸出電壓Vm，最大輸出功率 Pm，和填充因子FF。（二）實驗二：硅光電池負載特性測試實驗（1）組裝好光通路組件，將照度計與照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將照度計電源線與面板上的照度計電源正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）將三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按

18、圖2-13所示的電路連接電路圖，R取值為2K歐。（6）打開電源，順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，逐漸增大光照度至100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分別記錄電流表和電壓表讀數(shù)，填入下表光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）（7）關(guān)閉電源，將R分別換為510， 1K， 5.1K， 10K重復上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。R=510歐光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=1K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=5.1K光照度（lx

19、）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=10K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV） （8）根據(jù)上述實驗所測試的數(shù)據(jù)，在同一坐標軸上描繪出硅光電池的負載特性曲線,并進行分析。（三）實驗三：硅光電池光譜特性測試 (光譜響應曲線)當不同波長的入射光照到硅光電池上，硅光電池就有不同的靈敏度。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應度是光電探測器對單色光輻射的響應能力。定義為在波長為的單位入射輻射功率下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。表達式如下： 或式中，為波長為時的入射光功率；為光電探測