硅光電池實驗課堂指導(dǎo)及實驗報告要求

PAGEPAGE7提示：本材料始終由實驗室保存，并供所有實驗同學(xué)使用。保持材料的整潔，不作標記、批注。本周內(nèi)實驗中心將開始提供實驗指導(dǎo)冊，其中包含本材料內(nèi)容。請及時與中心聯(lián)系，tel：66366787。硅光電池測量實驗室2006.9.25編號：硅光電池基本特性研究光電池又稱光伏電池。光電池的種類較多，如硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。其中硅光電池具有較多的優(yōu)點，如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、壽命長、價格便宜、使用方便，因而得到廣泛應(yīng)用。本實驗研究硅光電池的基本特性。硅光電池可以用作光信號探測器（光電傳感器），在光電轉(zhuǎn)換、自動控制和計算機輸入和輸出等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。另一方面硅光電池可將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，如果把許多硅光電池科學(xué)地串聯(lián)或并聯(lián)起來，可以建成太陽能發(fā)電站，為人類更有效地利用太陽能開辟新道路。本實驗要求通過對硅光電池基本特性的測量，了解和掌握其特性及有關(guān)的測量方法，進而對日益廣泛使用的各種光電器件有更深入的了解。實驗原理在P型硅片上擴散一層極薄的N型層，形成PN結(jié)，再在該硅片的上下兩面各制一個電極（其中光照面的電極成“梳狀”，并在整個光照面鍍上增透膜，利于光的入射。），這樣構(gòu)成了硅光電池，如圖一所示。當(dāng)光照射在硅光電池的光照面上時，若入射光子能量大于硅的能隙時，光子能量將被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子－空穴對。它們在運動中一部分重新復(fù)合，其余部分在到達PN結(jié)附近時受PN結(jié)內(nèi)電場的作用，空穴向P區(qū)遷移，使P區(qū)顯示正電性，電子向N區(qū)遷移，使N區(qū)帶負電，因此在PN結(jié)上產(chǎn)生了電動勢。如果在硅光電池兩端連接電阻，回路內(nèi)就形成電流，這是硅光電池發(fā)生光電轉(zhuǎn)換的原理。硅光電池(以下簡稱光電池)的簡化等效電路如圖二所示。1．在無光照時，光(生)電流，光電池可以簡化為二極管（圖三）。根據(jù)半導(dǎo)體理論，流經(jīng)二極管的電流與其兩端電壓的關(guān)系符合以下經(jīng)驗公式（1）式中和是常數(shù)。2．有光照時，>0，光電池端電壓與電流的關(guān)系為：（2）由（2），可以得到以下結(jié)論：①當(dāng)外電路短路時，短路電流，光電流全部流向外電路。②當(dāng)外電路開路時，開路電壓，即，開路電壓與短路電流滿足對數(shù)關(guān)系；如果與光通量（或照度）有線性關(guān)系，則與光通量就符合對數(shù)關(guān)系。由于二極管的分流作用，負載電阻愈大，光電池的輸出電流愈小，實驗可以證明這時輸出電壓卻愈大，因此要從光電池獲取最大功率，負載電阻要取恰當(dāng)值。實驗器材光具座及附件,附件包括：光源、光電池組件、一對偏振器、5個濾光片和支架、透光盒及支架。其中光電池組件的電路連接如圖四所示。電源及電阻網(wǎng)絡(luò)（裝于機箱內(nèi)），當(dāng)電源開關(guān)撥向“電源”時，綠指示燈亮，圖五示出電源及電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路；當(dāng)電源開關(guān)撥向“光源”時，黃指示燈亮，圖六示出此時的等效電路。數(shù)字電流表、電壓表。實驗內(nèi)容數(shù)字電壓表用直流2v檔，電流表用直流200mA檔（實驗室已設(shè)定）。測量光效應(yīng)時注意調(diào)節(jié)光電組件的高度，使被測光電池均勻受光。在無光照條件下，測量光電池正向偏壓時的伏安特性即I~V關(guān)系（自擬原始數(shù)據(jù)表1并填之）。圖七為實驗線路圖，通過改變電阻Rn改變加于光電池的電壓，Rn值隨下標n的增大而增加。將開關(guān)撥向“電源”，將光電池組件裝上光具座，并用鏡頭蓋遮住光電池的入光面；面板接線如圖八所示。測量光電池的光照特性測量短路電流與光電池上的光通量的變化關(guān)系。在光電池的線性響應(yīng)范圍內(nèi)，光電流與入射光通量成正比，這是光電池作為光電檢測元件被廣泛應(yīng)用的重要原因。實驗方法一：理論指出，對于點光源，通過一定的不算大的面積上的光通量與該面積到點光源的距離平方成反比，即。圖九為實驗線路圖。將開關(guān)撥向“光源”，在光具座上調(diào)節(jié)光電池組件的高度，使上（或下）光電池被均勻照亮；沿光具座移動光電組件，改變它到光源的距離L，同時測量（填數(shù)據(jù)表2，見下）；面板接線如圖十所示。表2L/cm30323436384042444648501/L2(×10-4)119.88.77.76.96.35.75.24.74.34.0Isc/mA實驗方法二：根據(jù)馬呂斯（Malus）定律，透過兩個交叉偏振片的光強與其交角α的余弦平方成正比，因此如果改變α，測出對應(yīng)的短路電流，只要Isc～α曲線大致為余弦平方曲線，硅光電池存在線性相應(yīng)區(qū)可以得到證明。將一對偏振片置于光源和光電組件之間，并盡量靠近光電組件，測量Isc～α的關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表3并填之，圖略。測量光電池的負載特性調(diào)節(jié)光源到光電組件的距離約30cm，為作圖方便Rn可選擇R7~R15。測量光照情況下，光電池輸出電壓與負載電阻的關(guān)系（填表4）。圖十一和圖十二是線路圖及面板接線圖。表4RnR7R8R9R10R11R12R13R14R15Ω15182233627591100300V/v測量輸出電流與負載電阻的關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表5并填之，Rn的選擇同（1）。圖十三和圖十四是線路圖及面板接線圖。4．測量光電池串、并聯(lián)時的伏安特性調(diào)節(jié)光電組件的高度，使兩片光電池同時被均勻照亮；調(diào)節(jié)光源與光電組件的距離大約30cm。分別測量兩塊光電池的伏安特性，即I~V關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表6、7并填之。圖十五、十六是線路圖及面板接線圖。測量串聯(lián)伏安特性，自擬數(shù)據(jù)表8并填之，圖十七、十八是線路圖及面板接線圖。測量并聯(lián)伏安特性，自擬數(shù)據(jù)表9并填之，圖十九是面板接線圖。測量光電池的光譜響應(yīng)將5種濾色片先后裝于濾色片支架上，放在光源與光電組件之間，并盡量靠近光電組件；在同一位置處，測量各個短路電流，填表10。表10λ/nm577546436405365Isc/mA6．驗證比爾（Beer）定律（光電池在光電檢測中的一個應(yīng)用）對于低濃度的液體，其濃度與光的透射率即入射到光電池光通量符合比爾定律：，因此濃度與光電流滿足：，其中c為液體濃度，d為厚度，k、為常數(shù)。改變液體濃度，測量，填表11。表11c(%)0.0050.010.050.10.51Isc/mA預(yù)習(xí)要求：通過預(yù)習(xí)，了解硅光電池的工作原理，大致了解實驗內(nèi)容。注意實驗方法的學(xué)習(xí)。寫預(yù)習(xí)報告（實驗報告紙上的前面部分）；在數(shù)據(jù)記錄紙上畫好待填表格并填上名稱、各被測物理量（符號）。實驗報告要求記錄實驗過程，包括實驗步驟，各種實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等。分析各實驗結(jié)果并要得到結(jié)論；可就實驗中涉及的、你感興趣的1～2個問題作較多討論。實驗曲線最好用計算機繪制（推薦用Excel軟件），若無條件也可手畫。用原始數(shù)據(jù)表1的數(shù)據(jù)，畫出lnI～V曲線；如果是直線，計算和（利用條件），寫出在沒有光照情況下光電池的端電壓（正向偏壓）與電流之間的經(jīng)驗公式，由此可以間接驗證經(jīng)驗公式（1）。利用數(shù)據(jù)表2數(shù)據(jù)，作出與光通量φ的關(guān)系曲線，設(shè)φ與1/L2的比例系數(shù)等于1，由曲線得到什么結(jié)論？根據(jù)表3，畫出～α圖線，它是什么曲線？由此你看出什么？根據(jù)表4、5，在一張圖上分別畫出光電池輸出電壓與負載電阻、輸出電流與負載電阻的關(guān)系曲線，并由此在同一圖上得到負載電阻與輸出功率的關(guān)系；確定光電池的最大輸出功率Pm以及最大輸出功率時的負載電阻Re(最佳匹配電阻)。利用表6、7、8、9，在一張圖上分別畫出上下兩片光電池的伏安特性以及它們串、并聯(lián)后的伏安特性，從四條圖線你能得到什么結(jié)論？根據(jù)表10，畫出～λ關(guān)系，此圖告訴你什么？根據(jù)表11，畫出～c關(guān)系，如何驗證Beer定律？思考題光電流與短路電流有什么關(guān)系？對實驗中所用濾光片的透射曲線應(yīng)有什么要求？嚴格說，本實驗得到的光電池光譜特性并不能準確描述光電池對入射光中各