光電08305何江武-硅光電池實(shí)驗(yàn)報(bào)告

硅光電池實(shí)驗(yàn)報(bào)告光電08305何江武一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的工作原理2、學(xué)習(xí)掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測(cè)試方法二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、硅光電池短路電路測(cè)試實(shí)驗(yàn)2、硅光電池開路電壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)3、硅光電池伏安特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)4、硅光電池光譜特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)三、實(shí)驗(yàn)儀器1、硅光電池綜合實(shí)驗(yàn)儀1個(gè)2、光通路組件1只3、光照度計(jì)1臺(tái)4、2#迭插頭對(duì)（紅色，50cm）10根5、2#迭插頭對(duì)（黑色，50cm10根6、三相電源線1根7、實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書1本8、20M示波器1臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像﹑光通信﹑太陽(yáng)電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導(dǎo)體光電探測(cè)器的一個(gè)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(jìn)一步領(lǐng)會(huì)半導(dǎo)體PN結(jié)原理﹑光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機(jī)理。零偏反偏零偏反偏正偏圖2-1.半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)圖2-1是半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)，當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，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(kuò)散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個(gè)勢(shì)壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場(chǎng)將阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)兩者達(dá)到平衡時(shí)，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無(wú)自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向一致，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，耗盡區(qū)在外電場(chǎng)作用下變窄，勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它被設(shè)計(jì)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(cè)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(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或反偏時(shí)，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場(chǎng)，當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。流過(guò)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為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對(duì)溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0，流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)光電池處于反偏時(shí)（在本實(shí)驗(yàn)中取V=-5V），流過(guò)PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(shí)，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖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(cè)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(cè)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)伏安特性如圖2-6，在硅光電池輸入光強(qiáng)度不變時(shí)，測(cè)量當(dāng)負(fù)載一定的范圍內(nèi)變化時(shí)，光電池的輸出電壓及電流隨負(fù)載電阻變化關(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(cè)試(4)光譜特性一般光電池的光譜響應(yīng)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(zhǎng)之間的關(guān)系。一般用相對(duì)響應(yīng)表示，實(shí)驗(yàn)中硅光電池的響應(yīng)范圍為400~1100nm，峰值波長(zhǎng)為800~900nm，由于實(shí)驗(yàn)儀器所提供的波長(zhǎng)范圍為400~650nm，因此，實(shí)驗(yàn)所測(cè)出的光譜響應(yīng)曲線呈上升趨勢(shì)，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、實(shí)驗(yàn)步驟1、硅光電池短路電流特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(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(jì)，直流電源調(diào)至最小，打開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(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(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，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）41.217.334.251.168.285.4102.6（6）上表中所測(cè)得的電流值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的短路電流。（7）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)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(cè)試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(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(jì)，直流電源調(diào)至最小，打開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(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2-12所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，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（v）-0.37-0.28-0.30-0.31-0.32-0.33-0.35-0.37-0.38-0.39-0.40-0.41（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（5）上表中所測(cè)得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。（6）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、硅光電池光照特性（1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)1和2所調(diào)試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。（2）改變不同光照度的取值，重復(fù)實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2，并作出相應(yīng)硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實(shí)驗(yàn)裝置原理框圖如圖2-13所示。圖2-13硅光電池伏安特性測(cè)試（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(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(jì)，直流電源調(diào)至最小，打開照度計(jì)，此時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(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）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(shí)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(shí)針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至500lx。記錄下此時(shí)的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流96.491.256.742.133.317.97.296.491.256.7電壓114275344357363374380114275344（6）關(guān)閉電源，將R分別換為下表中的電阻值，重復(fù)上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。（7）改變光照度為100Lx、300Lx，重復(fù)上述步驟，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表。100lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流212120.920.820.514.66.31.72121電壓25631271772243053313402563300lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流60.859.750.238.931.417.16.91.860.859.7電壓6918030533134235836536769180（8）根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在同一坐標(biāo)軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進(jìn)行分析。（9）實(shí)驗(yàn)完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線5、硅光電池光譜特性測(cè)試當(dāng)不同波長(zhǎng)的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度圖2-14基準(zhǔn)探測(cè)器的光譜響應(yīng)曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計(jì)顯示表頭與光通路組件照度計(jì)探頭輸出正負(fù)極對(duì)應(yīng)相連（紅為正極，黑為負(fù)極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動(dòng)單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（3）將直流電源2正負(fù)極直接與電壓表相連，打開電源，調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。（4）按如圖2-12連接電路圖.（5）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，依次將S2，S3，S4，S5，S6，S7撥上后撥下，記下照度計(jì)讀數(shù)最小時(shí)照度計(jì)的讀數(shù)E作為參考。（注意：請(qǐng)不要同時(shí)將兩個(gè)撥位開關(guān)撥上）（6）S2撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計(jì)顯示為E，將電壓表測(cè)試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將S2撥下；（7）重復(fù)操作步驟（6），分別測(cè)試出橙，黃，綠，藍(lán)，紫在光照度E下電壓表的讀數(shù)，填入表中，并描繪出光譜特性圖如下：入下表。波長(zhǎng)（nm）