1、綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)小論文硅光電池特性研究摘要 :當(dāng)今世界能源日益短缺，開發(fā)太陽能資源成為世界各國能源發(fā)展的主要課題。硅光電池可將太陽能轉(zhuǎn)換為電能， 實(shí)現(xiàn)太陽能的利用。 本實(shí)驗(yàn)的目的主要是探討太陽能電池的 基本特性，測(cè)量太陽能電池下述特性：1、在沒有光照時(shí)，太陽能電池主要結(jié)構(gòu)為一個(gè)二極管，測(cè)量該二極管在正向偏壓時(shí)的伏安特性曲線，并求得電壓和電流關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式。2、測(cè)量太陽能電池在光照時(shí)的輸出特性并求得它的短路電流（ I SC） 、開路電壓 （ UOC） 、最大輸出功率Pm及填充因子FF，填充因子是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)。3、光照效應(yīng)：（1）測(cè)量短路電流I s和相對(duì)光強(qiáng)度J / Jo之間關(guān)

2、系，畫出I SC與相對(duì)光強(qiáng)J / Jo之間的 關(guān)系圖。（2 ）測(cè)量開路電壓Ux和相對(duì)光強(qiáng)度J / Jo之間的關(guān)系，畫出 Ud與相對(duì)光強(qiáng)J / Jo之 間的關(guān)系圖關(guān)鍵字 : 硅光電池 PN 結(jié) 相對(duì)光強(qiáng) 開路電壓 短路電流1 實(shí)驗(yàn)原理目前半導(dǎo)體光電探測(cè)器在數(shù)碼攝像、光通信、太陽電池等領(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， 深入學(xué)習(xí)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 Ph結(jié)原理、光電效應(yīng)理論和光伏電池 的機(jī)理。Ph 結(jié)的形成及單向?qū)щ娦匀绻捎媚撤N工藝，使一塊硅片的一邊成為P型半導(dǎo)體，另一邊為N型半導(dǎo)體, 由于P區(qū)有大量空穴（濃度大），而N區(qū)的空穴極少（

3、濃度小），因此空穴要從濃 度大的P區(qū)向濃度小的卜區(qū)擴(kuò)散，并與N區(qū)的電子復(fù)合，在交界面附近的空穴擴(kuò)散 到N區(qū),在交界面附近一側(cè)的P區(qū)留下一些帶負(fù)電的三價(jià)雜質(zhì)離子， 形成負(fù)空間電 荷區(qū)。同樣，N區(qū)的自由電子也要向P區(qū)擴(kuò)散，并與P區(qū)的空穴復(fù)合，在交界面附 近一側(cè)的N區(qū)留下一些帶正電的五價(jià)雜質(zhì)離子，形成正空間電荷區(qū)。這些離子是 不能移動(dòng)的，因而在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面兩側(cè)形成一層很薄的空間電荷 區(qū)，也稱為耗盡層，這個(gè)空間電荷區(qū)就是PN吉。正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成 一個(gè)電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，其方向從帶正電的 N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū),如圖1所示。 空間電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)一個(gè)方面對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)起阻擋

4、作用， 另一方面對(duì) 少數(shù)載流子（P區(qū)的自由電子和N區(qū)的空穴）起推動(dòng)作用，使它們?cè)竭^空間電荷區(qū) 進(jìn)入對(duì)方區(qū)域。 少數(shù)載流子在內(nèi)電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。 在一定條件下，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 達(dá)到平衡后，空間電荷區(qū)的 寬度基本上穩(wěn)定下來，Pb結(jié)就處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。若在PN吉上加正向電壓，即外電源的正極接PI區(qū)，負(fù)極接r區(qū)，也稱為正向偏 置。此時(shí)外加電壓在PN吉中產(chǎn)生的外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向相反， 內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多 數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（正向電流）， PN吉處于導(dǎo)通狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流（由 P區(qū)流向N區(qū)的電流）愈大。正向偏置時(shí),PN

5、吉呈現(xiàn)的電阻很低，一般為幾歐到幾百歐兒E內(nèi)電場(chǎng)+ + + + + + + + + +P空間電荷區(qū)N若在PN吉上加反向電壓，即外電源的正極接N區(qū),負(fù)極接P區(qū)，也稱為反向偏 置。此時(shí)外加電壓在PN吉中產(chǎn)生的外電場(chǎng)和內(nèi)電場(chǎng)方向一致， 也破壞了擴(kuò)散和漂 移運(yùn)動(dòng)的平衡。外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移動(dòng)，使得空間電荷增強(qiáng)，空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)，使多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)很難進(jìn)行。但 另一方面，內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)也加強(qiáng)了少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，即PN吉呈現(xiàn)的反向電阻很高，可以認(rèn)為PN吉基本上不 導(dǎo)電，處于截至狀態(tài)。反向電阻一般為幾千歐到十幾兆歐。 由于少數(shù)載流

6、子是由 于價(jià)電子獲得熱能（熱激發(fā)）掙脫共價(jià)鍵的束縛而產(chǎn)生的。環(huán)境溫度愈高，少數(shù) 載流子的數(shù)量愈多，所以溫度對(duì)反向電流的影響較大。由以上分析可知，PN 吉具 有單向?qū)щ娦?。在PN吉上加正向電壓時(shí)，PN吉電阻很低，正向電流較大，PN吉處 于正向?qū)顟B(tài)；加反向電壓時(shí)，PN吉電阻很高，反向電流很小，PN吉處于截至 狀態(tài)。圖1是半導(dǎo)體PN吉在零偏、負(fù)偏、正偏下的耗盡區(qū)。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 Ph結(jié)兩側(cè)形成一個(gè)耗盡區(qū)， 耗盡區(qū)的特點(diǎn)是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場(chǎng)與

7、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) Ph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Ph結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流方向是從P旨向21.2硅光電池的工作原理光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用物質(zhì)的光電效應(yīng)，即當(dāng)物質(zhì)在一定頻率的照射下， 釋放出光電子的現(xiàn)象。當(dāng)光照射金、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料的表面時(shí)， 會(huì)被這 些材料內(nèi)的電子所吸收，如果光子的能量足夠大，吸收光子后的電子可掙脫原子 的束縛而溢出材料表面，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射，又稱 為外光電效應(yīng)。有些物質(zhì)受到光照射時(shí)，其內(nèi)部原子釋放電子，但電子仍留在物 體

8、內(nèi)部，使物體的導(dǎo)電性增強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電二極管是典型的 光電效應(yīng)探測(cè)器。當(dāng)pr結(jié)及其附近被光照射時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生載流子（即電子 -空穴 對(duì)）。結(jié)區(qū)內(nèi)的電子-空穴對(duì)在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下，電子被拉向 N區(qū)，空穴被拉 向P區(qū)而形成光電流。同時(shí)勢(shì)壘區(qū)一側(cè)一個(gè)擴(kuò)展長(zhǎng)度內(nèi)的光生載流子先向勢(shì)壘區(qū) 擴(kuò)散，然后在勢(shì)壘區(qū)電場(chǎng)的作用下也參與導(dǎo)電。 當(dāng)入射光強(qiáng)度變化時(shí)，光生載流 子的濃度及通過外回路的光電流也隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。在入射光強(qiáng)度的很大動(dòng) 態(tài)范圍內(nèi)這種變化能保持較好的線性關(guān)系。圖21.3硅光電池的伏安特性硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)半導(dǎo)體PN結(jié)處于零偏或負(fù)偏時(shí)，在它們

9、的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場(chǎng)。當(dāng)沒有光照射時(shí)，光電二極管相當(dāng)于普通的二極管。其伏安特性是(1)式（1）中I為流過二極管的總電流，1s為反向飽和電流，e為電子電荷，k為玻 耳茲曼常量，T為工作絕對(duì)溫度，V為加在二極管兩端的電壓。對(duì)于外加正向電壓， i隨諾旨數(shù)增長(zhǎng)，稱為正向電流；當(dāng)外加電壓反向時(shí)，在反向擊穿電壓之內(nèi)，反向 飽和電流基本上是個(gè)常數(shù)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負(fù)載。流過 PN吉兩端的電流可由式（2）確 疋：eVI = Is ekT -1 - I p（2）此式

10、表示硅光電池的伏安特性。式（2）中I為流過硅光電池的總電流，Is為 反向飽和電流，V為PN吉兩端電壓，T為工作絕對(duì)溫度，Ip為產(chǎn)生的反向光電流。 從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時(shí)，V=0，流過PN吉的電流I=Ip ;當(dāng)光電池處于負(fù)偏時(shí)流過PN吉的電流I=Ip-Is 。因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，光電 池必須處于零偏或負(fù)偏狀態(tài)。硅光電池負(fù)載特性的測(cè)定1.4硅光電池的負(fù)載特性光電池作為電池使用如下圖所示。在內(nèi) 電場(chǎng)作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處 于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光 伏電壓，在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會(huì)有電 流流過，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較 大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較

11、大而電壓較小。 實(shí)驗(yàn)的值來測(cè)定硅光電池的負(fù)載特性。2實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2.1全暗情況下太陽能電池在外加偏壓時(shí)伏安特性步驟（1）按圖4連接電路。iLLxyHi-+池圖4（2）在外加偏壓時(shí)，改變負(fù)載電阻，測(cè)量對(duì)應(yīng)的輸出電流和輸出電壓，并 將數(shù)據(jù)填入表1（3）利用測(cè)得的正向偏壓時(shí)I-U關(guān)系數(shù)據(jù)，畫出I-U曲線如圖5,并求出常數(shù) 和I。的值。nKT2.1.2數(shù)據(jù)記錄及處理表1:正向偏壓時(shí)I-U關(guān)系U (V)01.61.862.052.192.322.42.52.562.65I (PA)00.010.020.030.040.050.060.070.080.09U (V)2.692.742.82.852.892.9

12、22.9633.03I岸A)0.10.110.120.130.140.150.160.170.18由l/lo=e u-1知當(dāng)U較大時(shí)，eu1,即lnI= B U+lnlo由最小二乘法，將表1中最后6點(diǎn)數(shù)據(jù)處理得：nKT =2.60V-1 , lo=6.28 X 10-6mA ,相關(guān)系數(shù) r=0.9998圖5圖62.2在不加偏壓時(shí)，用白色光照射，測(cè)量硅光電池一些特性。步驟（1）按圖6連接電路。（2）不加偏壓，在遮光條件下，調(diào)節(jié)白光源到太陽能的距離，在電池距離為20cm測(cè)量電池在不同負(fù)載電阻下，太陽能電池的輸出電流 I對(duì)太陽能電池的 輸出電壓U的變化關(guān)系，畫出曲線如圖7,并求出相應(yīng)的功率，將數(shù)據(jù)填

13、入表2, 畫出輸出功率與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線圖，如圖 8（3）求出太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時(shí)負(fù)載電阻。（4）計(jì)算填充因子FF二Pmax. IscUoc2.2.2數(shù)據(jù)記錄及處理表2:白光源到太陽能電池距離為 20cm時(shí)，不同負(fù)載電阻下，電流I對(duì)電壓U 的變化關(guān)系，及相應(yīng)的功率3.5光照下太陽能輸出電流與電壓的關(guān)系0.5U1.52.5圖7圖8電阻（K）電流1 （卩A）電壓U (V)功率P030012.742.135.836221.883.767.068831.374.15.61741.044.174.336850.844.23.52860.74.222.95470.614.232.58

14、0380.534.242.247290.474.251.9975100.434.261.8318由圖7中關(guān)系可求出：短路電流Isc =4.36 uA和開路電壓Uoc = 3.10V由圖8中關(guān)系可求出：最大輸出功率Pma=7.08786Mw最大輸出功率時(shí)負(fù)載電 阻 R=2.06KQ。填充因子：FF 二 Fax. IscUoc =0.4394FF是代表太陽能電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，F(xiàn)F值越大,說明太陽能電池對(duì)光的利用率越高2.3測(cè)量太陽能電池的光電效應(yīng)與電光性質(zhì)步驟按圖6連接電路在暗箱中(用遮光罩擋光)，取離白光源 20CM水平距離光強(qiáng)作為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度，用光功率計(jì)測(cè)量該處的光照強(qiáng)度J。；，并填

15、入表3 改變太陽能電池到光源的距離，用光功率計(jì)測(cè)量該處的光照強(qiáng)度J , 測(cè)量太陽能電池接受到相對(duì)光強(qiáng)度 J /J。不同值時(shí)，相應(yīng)的短路電流Isc和開路 電壓Uoc的值，將數(shù)據(jù)填入表3,畫出對(duì)應(yīng)的I-U曲線，如圖9列出ISC和與相對(duì)光強(qiáng)J / Jo之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，見表4，并描繪它們之 間的關(guān)系曲線，如圖10,求Isc和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。列出Uoc和與相對(duì)光強(qiáng)J /Jo之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，見表5，并描繪它們之 間的關(guān)系曲線，如圖11,求Uc和與相對(duì)光強(qiáng)J /J0之間的近似關(guān)系函數(shù)。 2.3.2數(shù)據(jù)記錄及處理表3:太陽能電池接受到相對(duì)光強(qiáng)度 J /J0不同值時(shí)，電壓和電流的對(duì)應(yīng)值1

16、0cm12cm14cm光強(qiáng) J:7950 lx光強(qiáng) J:4650 lx光強(qiáng) J:2940 lx電流1 (卩A)電壓U( V)電流1 (卩A)電壓U(V)電流1 (卩A)電壓U(V)0.6600.9701.4200.60.590.90.891.2481.340.561.120.831.461.12.190.5181.610.732.180.9862.80.482.050.6682.640.93.410.4622.240.6182.940.83.990.432.560.563.440.684.090.42.780.5183.780.594.130.382.990.53.890.524.150.36

17、3.220.454.020.474.170.353.490.414.050.424.1916cm18cm20cm光強(qiáng) J:2040 lx光強(qiáng) J:1400 lx光強(qiáng) Jo:1145 lx電流1 （卩A）電壓U( V)電流1 （卩A）電壓U（V）電流1 （卩A）電壓U（V）1.9602.480301.71.361.912.362.741.151.42.611.6293.331.883.761.183.551.344.031.374.11.024.061.044.141.044.170.834.150.844.180.844.20.74.190.74.210.74.220.64.20.614.23

18、0.614.230.534.220.534.250.534.240.474.230.484.250.474.250.434.240.434.260.434.2622cm24cm26cm光強(qiáng) J:906 lx光強(qiáng) J:725 lx光強(qiáng) J:612 lx電流1 （卩A）電壓U( V)電流1 （卩A）電壓U（V）電流1 （卩A）電壓U（V）3.7203.4603.4202.353.532.582.762.672.351.963.921.973.941.943.881.364.091.364.081.344.021.044.151.034.131.024.070.844.180.844.170.824

19、.11圖 0.74.20.74.190.694.130.64.210.64.20.594.150.534.220.534.210.524.160.474.230.474.220.464.160.434.240.424.220.424.1628cm30cm光強(qiáng) J:494 lx光強(qiáng) J:424 lx電流1 （卩A）電壓U( V)電流1 （卩A）電壓U（V）3.2903.1802.682.142.661.951.913.821.883.751.323.961.33.911.014.0213.980.814.060.84.020.684.080.674.040.594.10.584.060.514.

20、10.574.070.464.110.464.080.414.120.414.09圖 表4:太陽能電池接受到相對(duì)光強(qiáng)度 J /J。不同值時(shí)，相應(yīng)的Isc的值:J/Jo6.944.062.571.781.2210.790.630.530.430.37Is47.227.617.412.18.246.75.304.223.552.82.4J/Jo短路電流Is與相對(duì)光強(qiáng)J/Jo關(guān)系圖圖10從圖10中找出Isc與相對(duì)光強(qiáng)J/Jo的近似函數(shù)關(guān)系為lsc=A(J/Jo)，禾【J用最小二乘法擬合，得 lsc=6.814 (J/Jo ) -0.0905,相關(guān)系數(shù) r=0.9996.表5:太陽能電池接受相對(duì)光強(qiáng)度 J /J。不同值時(shí)，相應(yīng)的Uoc的值J/Jo6.944