硅光电池特性的研究实验报告2.docx

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硅光电池基本特性的研究
太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能 接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下， 可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换 效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因此, 在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光 学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价 值。
［实验目的］
1 .测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线;
I亦开路电压U℃、
2 .测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流 最大FF
3 .测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J。的关系，求出它 们的近似函数关系； °
［实验原理］
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应 用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原 理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池 产生机理。
图
体PN结 偏、正 区，当P 导体材 由于P型 电子少， 电子多 果P型材
”内:E外
1内
零偏
反偏
正偏
:E内E外
图2-1.半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区
2-1是半导 在零偏、反 偏下的耗尽 型和N型半 料结合时， 材料空穴多 而N型材料 空穴少，结 料中的空穴
向N型材料这边扩散N型材料中的电子向P型材料这边扩散扩散的结果使得结 合区两侧的P型区出现负电荷N型区带正电荷形成一个势垒由此而产生的内 电场将阻止扩散运动的继续进行当两者达到平衡时在PN结两侧形成一个耗尽 区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电 场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场 与内电场方向相反,耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继 续形成电流，此即为PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。
2、硅光电池的工作原理
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。这一能量转换过程是利用半导体P-N结的光伏效应〔Photovoltaic Effect进行的。
在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压U与通 过电流I的关系式为：
, <1>
(1)式中，1和。是常数。其中，1、U为P-N结二极管的电流及电压，k为
波尔兹曼常数〔1.38X10J/K,q为电子电荷量〔1.602X10库仑,T为绝对温度，Io
是二极管的反向饱和电流，是理想二极管参数，0= -q- nKT
由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC—EV的半导体构成,如图1所示。EC为 半导体电带，EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体 吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产 生光电流。
图1
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源〔光照产生光电流的电流源、一个 理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成,如图2所示。
图2
[2
〔1式可得,
[3
图2中，为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流，为光照时，通过太阳能电池 内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：
IR + U - (I — I — I) R = 0 ,
这里， 。
假定
<2式中，1为太阳能电池的输ph电1川为"俞出电压。由
在短路1 = Iph1= Iph=I0(e 0U- 1)
ph sc
而在开路时，I=0, I -1 (e p u oc -1) = 0
sc 0
[4
[4式即为在R =oo和R = 0，勺情况下，太阳能电池的开路电压U 和短路电流 的关系式。其Uu为开蜡电压，I为短路电流，而I 、。是常数。℃
OC . , 0
3、硅光电池的基本特性
<1>短路电流
图2-3硅光电池短路电流测试
如图2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。即为硅 光电池的短路电流特性。
<2>开路电压
图2-4硅光电池开路电压测试
如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。即为硅 光电池的开路电压特性。
<3>光照特性
光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系 就是光照特性,如图2-5。
3^4 o o O
Am/流庠光
V/压电生光 .164 2 o o O

图2-5 硅光电池的光照电流电压特性
＜4＞伏安特性
如图 2-6,在硅光电池输入光强度不变时,测量当负载一定的范围内变化时, 光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
图2-6 硅光电池的伏安特性测试
＜5＞负载特性＜输出特性＞
光电池作为电池使用如图2-7所示。在内电场作用下,入射光子由于内光电 效应把处于介带中的束缚电子激发到导带,而产生光伏电压,在光电池两端加一 个负载就会有电流流过,当负载很小时,电流较小而电压较大；当负载很大时,电 流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。
图2-7 硅光电池负载特性的测定
［实验仪器］光具座、滑块、白炽灯、太阳能电池、光功率计、遮光罩、电压表、
电流表、电阻箱、导线等
［实验内容］
1. 在没有光源〔全黑的条件下，测量太阳能电池正向偏压时的I—U特性〔直流 偏压从0—3.0V。
〔1设计测量电路图,并连接。
图1
〔2利用测得的正向偏压时I—U关系数据，画出-U曲线并求出常数0 = -q-和 nKT
I的值。
0
2、在不加偏压时,用白色光源照射,测量太阳能电池一些特性。注意此时光源到 太阳能电池距离保持为20cm。
〔1设计测量电路图,并连接。
图2
〔2测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I—U曲线图。
〔3求短路电流I和开路电压U 。
SC OC
〔4求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。
〔5计算填充因子FF = P II U
max - SC OC
3、测量太阳能电池的光照效应与光电性质。
在暗箱中〔用遮光罩挡光，取离白光源20cm水平距离光强作为标准光照强度, 用光功率计测量该处的光照强度J;改变太阳能电池到光源的距离x,用光功率 计测量该处的光照强度J,求光强J与位置X关系。测量太阳能电池接受到相对
光强度J /J不同值时，相应的I和U 的值。
0 SC OC
＜1＞设计测量电路图,并连接。
＜2＞测量太阳能电池接受到相对光强度J /J不同值时，相应的I和U 的
0 SC OC
值。
＜3＞描绘I和与相对光强J /J之间的关系曲线，求I和与相对光强J /J
SC 0 SC 0
之间的近似关系函数。
<4>描绘U 和与相对光强J /J之间的关系曲线，求U 和与相对光强J /J
OC 0 OC 0
之间的近似关系函数。
［注意事项］
1．实验测试结果会受到实验室杂散光的影响,使用中尽量保持较暗的测试环境。 2．连接电路时,保持电源开关断开,以免发生触电事故。
3.改变负载电阻,测量相应的负载电流时,适当安排测量点的分布：在估算的最佳 负载电阻值附近的测量点应密,其他测量点可疏。
4.由于各台仪器使用的太阳能电池光电转换效率、白炽灯的发射光谱存在一定 的个体差异,而且实验仪器所处的环境亮度不尽相同,这类因素均可能导致各台 仪器之间测量结果存在一定差异,但并不影响物理规律的反映。
［问题与讨论］
〔1如何确定硅光电池的内阻？其大小与哪些因素有关？ 〔2实验时光源的相对强度发生了变化,对测量结果有何影响？ 〔3什么是最佳匹配电阻？对给定的硅光电池如何确定其最佳匹配电阻？ 参考资料
［1］杨述武，赵立竹，沈国土 .普通物理实验<3> •光学部分［M］.高等教育出版社, 2007.12,<02>:93-95
［2］原所佳主编，许振峰副主编.物理实验教程.国防工业出版社，20XX08月第1 版. :262-264
［3］魏锐.太阳能电池的原理及制作［J］.教学仪器与实验2006.03,<01>:123-125
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