1、硅光電池特性研究【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹? 了解硅光電池工作原理.掌握硅光電池的工作特性。【實(shí)驗(yàn)原理】硅光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)而制成的將光能轉(zhuǎn)換成電能的一種器件，它的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)P-N結(jié)。硅光電池P-N結(jié)的制造，一般是在P型硅片上擴(kuò)散磷形成N型薄層，是N/ P型電池。也可在N 型硅片上擴(kuò)散硼形成P型薄層，形成P/N型電池。光電池是在N (P)型硅基底上擴(kuò)散P (N)型雜 質(zhì)并作為受光面，構(gòu)成個(gè) P-N結(jié)后，再經(jīng)過(guò)各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極， 涂上二氧化硅作保護(hù)膜(一方面起防潮保護(hù)作用，另一方面對(duì)入射光起抗反射作用)，即成硅光電池(圖1所示)o圖1硅光電池結(jié)構(gòu)1、P-N結(jié)偏置特性當(dāng)P型

2、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，使勢(shì)壘削弱，使載流子擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)繼續(xù)形成電流，這就是PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，電流方向是?

3、P指向No圖2所示是半導(dǎo)體PN結(jié) 在零偏、反偏、正偏下的耗盡區(qū)。空間電荷區(qū)N通常導(dǎo)體,: l;O 0 0 OOQ epo 0 0 0QOO 0 G 0 oeo ooo00j & Q 00| 0 | 空間電荷區(qū)N通常導(dǎo)體,: l;O 0 0 OOQ epo 0 0 0QOO 0 G 0 oeo ooo00j & Q 00| 0 | q 0 00010 6 國(guó)電i外衣場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)(a)零偏(b)反偏PK -j OOpbiQo Q QO|。卦電埔工區(qū)* * *O| CG 0,0i內(nèi)電場(chǎng)ti fi(c)正偏2、光伏效應(yīng)當(dāng)硅光電池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)，電池對(duì)光

4、 子的本征吸收和非本征吸收都產(chǎn)生先生載流子，但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載 流子。入射光子將把處于價(jià)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?；诠夥?yīng)，硅光電池的 應(yīng)用分為兩類。一類是作為能源，如把太陽(yáng)光的能量轉(zhuǎn)換為電能，為太陽(yáng)能電池，是利用太陽(yáng)能的重要 元件。另一類是作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器，可用于光探測(cè)器。3、硅光電池的是本特性 (1)伏安特性在一定光照下，在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會(huì)有電流流過(guò)，當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較大而電壓較小。如圖 3所示，硅光電池的伏

5、安特性曲線由二個(gè)部分組成： 1)無(wú)偏壓工作狀態(tài)，光電流隨負(fù)載變化很大。2)反偏壓工作狀態(tài)，光電流與偏壓、負(fù)載幾乎無(wú)關(guān)(很大的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi))Uoc ,在縱軸上的截距為短路電流IUoc ,在縱軸上的截距為短路電流Isc圖3硅光電池的伏安特性曲線（2）照度特性當(dāng)沒(méi)有光照時(shí)，硅光電池等效于普通的二極管，其伏安特性為:_qUI o exp 1kBTI為流過(guò)PN結(jié)的電流，Io為反向飽和電流, 加在PN結(jié)兩端電壓。對(duì)于外加正向電壓，q為電子電荷，k b為玻爾茲曼常數(shù)，I為流過(guò)PN結(jié)的電流，Io為反向飽和電流, 加在PN結(jié)兩端電壓。對(duì)于外加正向電壓，反向擊穿電壓之內(nèi)，反向飽和電流基本是個(gè)常數(shù)。當(dāng)有光照時(shí)，入射光

6、子把處于價(jià)帶的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別飄逸到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有光生電流流過(guò)負(fù)載，流過(guò) PN結(jié)兩端的電流:I I殖ph Io exp k T 1B式中I ph是與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流，具比例系數(shù)與負(fù)載電阻的大小及硅光電池的結(jié)構(gòu)特性 有關(guān)。當(dāng)硅光電池在短路狀態(tài)時(shí)（U=0）,短路電流為：Isc I phUkBT Isc當(dāng)硅光電池在開(kāi)路狀態(tài)時(shí)（I=0）,開(kāi)路電壓為：OC ln 1qI0短路電流Isc和光照強(qiáng)度L成正比，開(kāi)路電壓Uoc與光照強(qiáng)度L的對(duì)數(shù)成正比。圖4是在一定光照范圍 內(nèi)Isc和Uoc隨L的變化關(guān)系。在線性測(cè)量中，光電池通常以電

7、流形式使用，故Isc與L呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特性。實(shí)際使用時(shí)都接有負(fù)載電阻Rl,輸出電流IL隨L的增加而非線性緩慢地增加，并且隨Rl的增大線性范圍也越來(lái)越小。因此，在要求輸出的Il與L呈線性關(guān)系時(shí)，Rl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。圖4圖4硅光電池的光照特性曲線圖5硅光電池的輸出特性曲線輸出特性硅光電7tk負(fù)載Rl上的電壓降U和通過(guò)Rl的電流之積稱為硅光電池的輸出功率 P。在一定的照度下， 不同Rl有不同的輸出功率P ,輸出功率達(dá)到最大值Pm時(shí)的負(fù)載電阻Rm稱為最佳負(fù)載電阻。此時(shí)能量 轉(zhuǎn)換效率最高，且Rm隨光強(qiáng)而變化。當(dāng)RL = Rm時(shí)：Pm Um Im，式中

8、Um和Im分別是最佳工作電壓和最 佳工作電流，Pm為最大輸出功率。硅光電池的輸出特性曲線如圖 5所示。填充因子FF ,其定義為：FF填充因子FF ,其定義為：FFPmUoc IseUoc ISCFF是表征硅光電池性能優(yōu)劣的一個(gè)重要參數(shù)，F(xiàn)F越大則輸出功率越高，說(shuō)明硅光電池對(duì)光的利用率越高。FF取決于入射光強(qiáng)、材料禁帶寬度、負(fù)載電阻等。(4)光譜響應(yīng)特性硅光電池的光譜響應(yīng)表征不同波長(zhǎng)的光子產(chǎn)生電子 -空穴對(duì)的能力。各種波長(zhǎng)的單位輻射光能或?qū)?yīng) 的光子入射到硅光電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流，按波長(zhǎng)的分布求得其對(duì)應(yīng)的短路電流變化曲線稱 為硅光電池的光譜響應(yīng)曲線。通常把光譜響應(yīng)的最大值取為1,其它值作

9、歸一化處理，這樣的曲線也叫相對(duì)靈敏度分布曲線。圖6給出了典型的硅光電池光譜響應(yīng)曲線。U 9 0765432 U 9 0765432 1 -o o- o o o- o _o OOJ0.020030040050D600700801)900 IODO 1100120CWavelength, nm圖6硅光電池的光譜響應(yīng)曲線硅光電池的光譜響應(yīng)范圍是 400-1100 nm,使用時(shí)必須注意與入射光的波長(zhǎng)匹配，獲得較高的光電子 輸出效率。實(shí)驗(yàn)中常通過(guò)測(cè)試硅光電池的相對(duì)靈敏度表征其光譜響應(yīng)特性。硅光電池的靈敏度K為P為硅光電池測(cè)得光強(qiáng)，也可用短路電流表示;P為硅光電池測(cè)得光強(qiáng)，也可用短路電流表示;為光源隨波長(zhǎng)

10、的發(fā)射強(qiáng)度；T為濾光片的峰值透過(guò)率，為濾光片的半寬度。其相對(duì)靈敏度K為 K = J K過(guò)率，為濾光片的半寬度。其相對(duì)靈敏度K為 K = J K為不同波長(zhǎng)對(duì)于K 的最大值?！緦?shí)驗(yàn)儀器】硅光電池、數(shù)字萬(wàn)用表、毫安表、電阻箱、澳鋁燈、直流穩(wěn)壓電源、光學(xué)導(dǎo)軌及支座、開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線?！緦?shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟】1.硅光電池暗伏安特性測(cè)量在沒(méi)有光照(全黑)下，測(cè)量硅光電池正向偏壓時(shí)的 V -I特性曲線，討論硅光電池的暗伏安特性與般二級(jí)管伏安特性有何異同.硅光電池輸出特性測(cè)量不加偏壓，用澳鴇燈照射硅光電池，澳鴇燈到硅光電池的距離d為50 cm時(shí)，光照強(qiáng)度L為40 lx;電阻箱作為負(fù)載。 測(cè)量不同L、不同Rl的硅電池在V

11、-I關(guān)系，求出對(duì)應(yīng)的電流I和功率P,繪制U -I、P-Rl曲線。(要求：只允許使用數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔，說(shuō)明使用的萬(wàn)用表的量程，負(fù)載電阻不小于50 )。負(fù)載Rl ( Q)5020030010002000100001500020000ood = 20 cmL =電壓U (V)電流I (mA)功率P (mW)d = 30 cmL =電壓U (V)電流I (mA)功率P (mW)d = 40 cmL =電壓U (V)電流I (mA)功率P (mW)d = 50 cmL = 40 lux電壓U (V)電流I (mA)功率P (mW)不同光照下的短路電流Isc,開(kāi)路電壓Uoc；不同光照下的最大輸出功率Pm,對(duì)應(yīng)最佳負(fù)載電阻Rm ,填充因子FF。.硅光電池開(kāi)路電壓Uoc、短路電流Isc與光照L特性測(cè)量測(cè)量不同光照下硅光電池的開(kāi)路電壓 UOC、短路電流Isc,繪制UOC-L、ISC-L曲線；給出UOC-L、ISC -L 的近似函數(shù)關(guān)系。(要求：只允許使用數(shù)字萬(wàn)用表電壓檔，說(shuō)明使用的萬(wàn)用表的量程)。距離d (cm)20253035404550光照強(qiáng)度L (lx)開(kāi)路電壓Uoc (V)短路電流I sc (mA).不同負(fù)載下硅光電池輸出電壓 V、電流I與光照L特性測(cè)量測(cè)量不同負(fù)載Rl的硅光電池輸出電壓V、電流I ,繪制V -L、 I -L曲線 (要