硅光電池特性的研究1TKGD－1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀一、實(shí)驗(yàn)儀器2TKGD－1型硅光電池特性實(shí)驗(yàn)儀31.PN結(jié)的形成及工作原理

當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體材料結(jié)合時(shí)，P型（N型）材料中的空穴（電子）向N型（P型）材料這邊擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)形成一個(gè)勢(shì)壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴(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)。二、實(shí)驗(yàn)原理4零偏負(fù)偏正偏

當(dāng)PN結(jié)反偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢(shì)壘加強(qiáng)；當(dāng)PN結(jié)正偏時(shí)，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下變窄，勢(shì)壘削弱。52.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，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，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)電場作用下分別漂移到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。光電池結(jié)構(gòu)示意圖6（1）PN結(jié)兩端的電流：

光電池處于零偏時(shí)，V＝0，流過PN結(jié)的電流I＝－IP；光電池處于反偏時(shí)（實(shí)驗(yàn)中取V＝－5V），流過PN結(jié)的電流I＝－IP-Is，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。

7（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關(guān)系：

R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。

8L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1Isc/mA(a)硅光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線光電池的基本特性短路電流9負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。50Ω02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

100Ω1000Ω5000ΩRL=0光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性不同負(fù)載電阻的光照特性10（2）頻率特性光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。11204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)硒光電池則較差硅、硒光電池的頻率響應(yīng)曲線123.發(fā)光二極管（LED）的工作原理

當(dāng)某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時(shí)，空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合時(shí)將產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級(jí)間隙Eｇ有關(guān)：λ＝hc/Eｇ發(fā)光二極管輸出光功率P與驅(qū)動(dòng)電流I的關(guān)系：

P=ηEpI/e

本實(shí)驗(yàn)用一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實(shí)驗(yàn)用光源。

13三、知識(shí)擴(kuò)展1.硅光電池種類：按照制作材料的不同，硅光電池可以分成單晶硅光電池和多晶硅光電池。14（1）單晶硅光電池單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為10至20cm的圓片。國際公認(rèn)最高效率為24％，空間用高質(zhì)量的效率約為13.5—18％，地面用多在11—18％之間。15（2）非晶硅光電池－Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成。由于外解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化（05m×l.0m），成本較低，多采用pin結(jié)構(gòu)。小面積轉(zhuǎn)換效率提高到14.6％，大面積大量生產(chǎn)的為8－10％，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為21％。改善薄膜特性，精確設(shè)計(jì)光電池結(jié)構(gòu)和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態(tài)，以求得高效率和高穩(wěn)定性。162.硅光電池的應(yīng)用（1）作為能源使用：由于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點(diǎn)，太陽能被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的能源。太陽能是可再生能源，它資源豐富，可免費(fèi)使用，無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染，為人類創(chuàng)造了一種新的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代?，F(xiàn)在人們對(duì)太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學(xué)利用等。17目前國內(nèi)生產(chǎn)太陽能電池的企業(yè)主要有保定英利新能源、無錫尚德、開封太陽能電池廠、云南半導(dǎo)體器件廠、秦皇島華美光伏電子、浙江中意太陽能、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等。18（2）作為光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器使用硅光電池作為信號(hào)轉(zhuǎn)換器使用,與其它光電器件相比,有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。如與光電管相比,它體積小,重量輕,不怕強(qiáng)光,不需外加電源；與光敏電阻、硒光電池相比,它不易老化,參數(shù)穩(wěn)定,光電積分靈敏度高,與光電二極管及三極管相比,