硅光電池特性研究

1、硅光電池特性的研究實(shí)驗(yàn)人：林嘩順023012037合作人：林宗祥組號(hào)：A8【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? .設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的光路，研究硅光電池的主要參數(shù)和基本特性。2 .設(shè)計(jì)使用硅光電池對(duì)有關(guān)參量進(jìn)行探測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法及其簡(jiǎn)單應(yīng)用?！緦?shí)驗(yàn)儀器】實(shí)驗(yàn)用具：電位差計(jì)、硅光電池（2DR6那，面積=15nm2光強(qiáng)100mW/cm2,溫度為20oC時(shí)，開路電壓大于500mV短路電流為3155mA光譜峰值在0.451.1um范圍內(nèi)），光源，聚光透鏡，檢流計(jì)，濾色片，偏振片，開關(guān)等?！緦?shí)驗(yàn)基本原理】光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，不用外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。它的種類很多，常見的有硒、錯(cuò)、硅、神化錢、氧化銅、硫化鎧、硫化鎘等。其中

2、最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。它有一系列的優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換效率高，能耐高溫輻射等。同時(shí)它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度最相近，所以，它在很多分析儀器、測(cè)量?jī)x器、曝光表以及自動(dòng)控制監(jiān)測(cè)、計(jì)算機(jī)的輸入和輸出上用作探測(cè)元件，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中占有十分重要地位。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的基本特性和簡(jiǎn)單應(yīng)用作基本的了解和研究。硅光電池是一種一N結(jié)的單結(jié)光電池，當(dāng)光照射到PN結(jié)時(shí)，由于光激發(fā)的先生載流子的遷移，使P-N結(jié)兩端產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢(shì)，如果他與外電路中的負(fù)載接通，則負(fù)載電路中將由光電流產(chǎn)生。硅光電池可分為單晶硅光電池和多晶硅光電池，其中本實(shí)驗(yàn)中使用的2DR型硅光電池屬于單晶硅光電池

3、。下I1是常用的硅光電池的外形及結(jié)構(gòu)示意圖，為提高效率，在器件的受光面上進(jìn)行氧化，形成SiO2保護(hù)膜，以防止表面反射光，并且表面電極做成梳妝，減少先生載流子的復(fù)合機(jī)會(huì)。單晶硅光電池的轉(zhuǎn)換率一般在10流右，最高可達(dá)15%20%目前，使用較廣發(fā)的太陽能電池屬于多晶硅光電池，轉(zhuǎn)換率約為7%多晶硅光電池采用價(jià)格低廉的多晶硅作材料，而且可用簡(jiǎn)單的真空涂鍍法制造，具大小不受晶體的大小限制，可制作大面積光電池。光+硅光電油瓶出池外形圖Rl硅光電池結(jié)構(gòu)圖圖1硅光電池的主要特性為：(1)硅光電池的主要參數(shù)和照度特性開路電壓曲線。硅光電池在一定的光照條件下的光生電動(dòng)勢(shì)稱為開路電壓，開路電壓與入射光照度的特性曲線稱

4、為開路電壓曲線。短路電流曲線。在一定光照條件下，光電池被短路時(shí)所輸出的光電流值稱為短路光電流。光電流密度與照度的特性曲線稱為短路電流曲線。圖2為硅光電池的開路電壓曲線和短路電流曲線，其中曲線1是負(fù)載電阻無窮大時(shí)的開路電壓特性曲線，曲線2是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，而且在光照度為20001x時(shí)就趨于飽和，而短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。0200040006000800010000圖2硅光電池的光電特性1開路電壓特性曲線2短路電流特性曲線(2)硅光電池的負(fù)載特性硅光電池的伏安特性與

5、最佳匹配。隨著負(fù)載電阻的變化，回路中電流和硅光電池兩端的電壓U相應(yīng)地變化，稱為硅光電池的伏安特性。當(dāng)負(fù)載電阻取某一值時(shí)，其輸出功率最大，這稱為最佳匹配，此時(shí)所用的電阻稱為最佳匹配電阻。硅光電池的內(nèi)阻。從理論上可以推導(dǎo)出硅光電池的內(nèi)阻等于開路電壓除以短路電流?？梢杂^察到光照面積不同時(shí)，硅光電池的內(nèi)阻將發(fā)生變化。(3)硅光電池的轉(zhuǎn)換效率。硅光電池的最大輸出功率與輸入光功率的比值稱為硅光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。(4)硅光電池的光譜特性。在入射光能量保持一定的情況下，短路電流與不同的入射光頻率(波長(zhǎng))之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。圖3為硅光電池光譜特性曲線，從曲線可看出，硅光電池應(yīng)用的范圍400nm11

6、00nm,峰值波長(zhǎng)在850nm附近,因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用圖3硅光電池光譜特性(5)硅光電池的溫度特性。硅光電池的開路電壓、短路電流隨溫度變化的曲線表征了它的溫度特性。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。圖4為硅光電池的溫度特性曲線，圖中可以看出硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。因此，光電池作為檢測(cè)元件時(shí)，應(yīng)考慮溫度漂移的影響，并采用相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。圖4硅光電池溫度特性開路電壓2短路電流【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟】（一）測(cè)量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性1 .把入射光擋掉，把檢流

7、計(jì)打到“X1”擋，然后把檢流計(jì)調(diào)到零。2 .點(diǎn)亮白熾燈光源（12V）,并把發(fā)光燈絲對(duì)焦成像在單色議的狹縫上面，使硅光電池接受的光電流不要超過檢流計(jì)的刻度。3 .以硅光電池為接受接收元件，轉(zhuǎn)動(dòng)波鼓為：17.8cm,18.0cm,18.2cm,18.4cm,18.6cm,18.8cm,19.0cm,19.2cm,19.4cm,19.6cm,19.8cm,20.0cm,20.4cm,21.0cm,21.4cm,21.8cm,22.6cm,22.8cm。在進(jìn)行測(cè)量前，一定要把波鼓轉(zhuǎn)到17.8的位置，檢查光電流是否大小適當(dāng)，不要超過檢流計(jì)的量程。4.數(shù)據(jù)測(cè)三次，取平均值，把實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)列于表一。表一硅

8、光電池的光譜響應(yīng)特性讀數(shù)/T0對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)入/A光電流/格光電流123平均值I/10-8A17.8006235259.90256.45257.60257.9859.3361718.0006040215.05211.60212.75213.1349.0206718.2005860175.95172.50174.34174.2640.0805718.4005710142.60139.15140.30140.6832.3571718.6005565115.00111.55112.70113.0826.0091718.800544092.0089.7090.1690.6220.842619.0005325

9、73.6071.3071.7672.2216.610619.200522058.6557.5057.5057.8813.3131719.400511546.0044.8545.5445.4610.4565719.600501535.6535.5635.5635.598.185719.800492527.6027.6027.6027.606.34820.000484023.0021.8521.8522.235.11366720.400468513.8013.8013.8013.803.17421.00044876.906.906.906.901.58721.40043654.604.604.60

10、4.601.05821.80042603.452.762.762.990.687722.60040801.841.841.841.840.423222.80040401.151.151.151.150.2645根據(jù)表一的數(shù)據(jù)，以光波波長(zhǎng)為橫坐標(biāo)，光電路強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，作硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線，如圖5所示圖5硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線從硅光電池的光譜響應(yīng)特性曲線可以看出，光電流在波長(zhǎng)4000A到6200A的范圍內(nèi)，是隨著波長(zhǎng)的增長(zhǎng)而逐漸的變大。（二）測(cè)量硅光電池的負(fù)載特性1、按圖6連接好電路實(shí)驗(yàn)裝置圖6測(cè)量硅光電池負(fù)載特性裝置圖2、蓋住硅光電池的光入射口，把電流計(jì)調(diào)零。3、打開He-Ne激光器

11、，正射到硅光電池上，測(cè)量不同負(fù)載電阻值下的電流和電壓值，并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表二表二電阻與硅光電池的輸出功率關(guān)系表電阻R/Q電流I/mA電壓U/V功率P/w1000.5300.0500.0271500.4900.0690.0341980.4600.0870.0402250.4500.0960.0432490.4400.1030.0452710.4300.1100.0473000.4200.1180.0503240.4050.1240.0503500.3950.1310.0523760.3850.1360.0523980.3800.1420.0544260.3700.1490.0554480.365

12、0.1530.0564730.3550.1570.0565000.3500.1630.0575500.3400.1710.0585990.3250.1780.0586530.3100.1860.0586990.3000.1920.058根據(jù)表二的數(shù)據(jù)，以電阻為橫坐標(biāo)，輸出功率為縱坐標(biāo)，作電阻和輸出功率的關(guān)系曲線，如圖7所示由表二的數(shù)據(jù)及圖7的負(fù)載曲線可以看出，當(dāng)電阻為550c時(shí),硅光電池有最大輸出功率，由于在實(shí)驗(yàn)中，R=550C之后的測(cè)量點(diǎn)太少，使到曲線的峰值不是很明顯。實(shí)驗(yàn)中，光功率為P=3.6mw,最大輸出功率P輸出=0.058mw,所以硅光電池的轉(zhuǎn)換效率仁員上=0.058=1.6%P光3

13、.6【實(shí)驗(yàn)過程及現(xiàn)象記錄】實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2005-4-414:3018:00實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：十友堂二樓光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量硅光電池的光譜的響應(yīng)特性放置好實(shí)驗(yàn)器件，并調(diào)節(jié)光路，適當(dāng)調(diào)節(jié)單色儀的縫的大小。電流表調(diào)零：一開始把零點(diǎn)調(diào)到電流表的刻度零點(diǎn)，調(diào)節(jié)單色儀的縫的大小，使到轉(zhuǎn)動(dòng)波鼓為：17.8cm時(shí)，電流表刻度滿偏，但是當(dāng)波鼓為：21.8cm時(shí)，電流表讀書已經(jīng)為零。所以我們把零點(diǎn)調(diào)到電流表的負(fù)刻度上，這樣既能提高測(cè)量的精度，也使到波鼓為：22.8cm時(shí)，電流表讀數(shù)不為零。轉(zhuǎn)動(dòng)波鼓為：17.8cm,18.0cm,18.2cm,18.4cm,18.6cm,18.8cm,19.0cm,19.2cm,1

14、9.4cm,19.6cm,19.8cm,20.0cm,20.4cm,21.0cm,21.4cm,21.8cm,22.6cm,22.8cm,記錄電流表的讀數(shù)，數(shù)據(jù)測(cè)三次。測(cè)量硅光電池的負(fù)載特性在調(diào)節(jié)好光路及連接好電流之后，開始測(cè)量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)室提供470KC和50KC兩個(gè)可調(diào)電阻，由于不知道硅光電池的最佳匹配電阻值的數(shù)量級(jí)，所以對(duì)470KG的電阻值進(jìn)行地毯式測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在電阻值為1K數(shù)量級(jí)以上時(shí)，電阻兩端的電壓基本不變，而電流隨電阻變小而變大，輸出功率一直隨電阻的變小而變大。（地毯式的測(cè)量浪費(fèi)了我們很多的實(shí)驗(yàn)時(shí)間）直到電阻小于1KG的時(shí)候，才發(fā)現(xiàn)電壓和電流都開始發(fā)生變化，測(cè)出最佳匹配電阻值為200C,并記錄下輸出功率，完成實(shí)驗(yàn)。2005-4-8做數(shù)據(jù)處理時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的輸出功率是激光功率的5倍！這是不可能的。2005-4-1114:3017:00重新進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中采用1KG的電阻，提供測(cè)量精度，但仍然發(fā)現(xiàn)輸出功率大于激光的功率，這說明在4月4日的實(shí)