1、實驗5 硅光電池基本特性的研究本實驗對硅光電池的基本特性做初步研究.一. 實驗目的1. 了解硅光電池的基本結構及基本原理.2. 研究硅光電池的基本特性：3硅光電池的開路電壓和短路電流以及它們與入射光強度的關系;4硅光電池的輸出伏安特性等。二. 實驗儀器YJ-CGQ-I典型傳感特性綜合實驗儀1. 實驗裝置實驗裝置由光源和硅光電池兩部分組成, 如圖1所示.圖12. 負載電阻箱如圖2所示.圖2三. 實驗原理1.硅光電池的基本結構.硅光電池用半導體材料制成，多為面結合PN結型，靠PN結的光生伏特效應產生電動勢.常見的有硅光電池和硒光電池.負電極N層PN結P層正電極層防反射層在純度很高、厚度很薄（0.4

2、mm）的N型半導體材料薄片的表面，采用高溫擴散法把硼擴散到硅片表面極薄一層內形成P層，位于較深處的N層保持不變，在硼所擴散到的最深處形成PN結.從P層和N層分別引出正電極和負電極，上表面涂有一層防反射膜，其形狀有圓形、方形、長方形，也有半圓形.硅光電池的基本結構如圖3所示.圖32.硅光電池的基本原理當兩種不同類型的半導體結合形成PN結時.由于分界層（PN結）兩邊存在著載流子濃度的突變，必將導致電子從N區向P區和空穴從P區向N區擴散運動，擴散結果將在PN結附近產生空間電荷聚集區，從而形成一個由N區指向P區的內電場.當有光照射到PN結上時，具有一定能量的光子，會激發出電子-空穴對.這樣，在內部電場

3、的作用下，電子被拉向N區，而空穴被拉向P區.結果在P區空穴數目增加而帶正電，在N區電子數目增加而帶負電，在PN結兩端產生了光生電動勢，這就是硅光電池的電動勢.若硅光電池接有負載，電路中就有電流產生.這就是硅光電池的基本原理.單體硅光電池在陽光照射下，其電動勢為0.5-0.6V，最佳負荷狀態工作電壓為0.4-0.5V，根據需要可將多個硅光電池串并聯使用.3.硅光電池的光電轉換效率硅光電池在實現光電轉換時，并非所有照射在電池表面的光能全部被轉換為電能.例如，在太陽照射下，硅光電池轉換效率最高，但目前也僅達22%左右.其原因有多種，如：反射損失；波長過長的光（光子能量小）不能激發電子空穴對，波長過短

4、的光固然能激發電子-空穴對，但能量再大，一個光子也只能激發一個電子-空穴對；在離PN較遠處被激發的電子-空穴對會自行重新復合，對電動勢無貢獻；內部和表面存在晶格缺陷會使電子-空穴對重新復合；光電流通過PN結時會有漏電等.4. 硅光電池的基本特性4.1 硅光電池的開路電壓與入射光強度的關系硅光電池的開路電壓是硅光電池在外電路斷開時兩端的電壓，用U表示，亦即硅光電池的電動勢.在無光照射時，開路電壓為零.硅光電池的開路電壓不僅與硅光電池材料有關，而且與入射光強度有關，而且與入射光強度有關.在相同的光強照射下，不同材料制做的硅光電池的開路電壓不同.理論上，開路電壓的最大值等于材料禁帶寬度有1/2.例如

5、，禁帶寬度為1.1eV4.2 硅光電池的短路電流與入射光的關系硅光電池的短路電流就是它無負載時回路中電流，用ISC表示.對給定的硅光電池，其短路電流與入射光強度成正比.對此，我們是容易理解的，因為入射光強度越大，光子越多，從而由光子激發的電子-空穴對越多，短路電流也就越大.4.3在一定入射光強度下硅光電池的輸出特性當硅光電池兩端連接負載而使電路閉合時，如果入射光強度一定，則電路中的電流I和路端電壓U均隨負載電阻的改變而改變，同時，硅光電池的內阻也隨之變化.硅光電池的輸出伏安特性曲線如圖4所示.MMIV圖4圖4中，ISC為U=0，即短路時的電流，就是在該入射光強度下的硅光電池的短路電流ISC.U

6、為I=0，即開路時的路端電壓，也就是硅光電池在該入射光強度下的開路電壓，曲線上任一點對對應的I和U的乘積（在圖中則是一個矩形的面積），就是硅光電池在相應負載電阻時的輸出功率P.曲線上有一點M，它的對應Imp和Ump的乘積（即圖中畫斜線的矩形面積）最大.可見，硅光電池僅在它的負載電阻值為Ump和Imp值時，才有最大輸出功率.這個負載電阻稱為最佳負載電阻，用Rmp表示.因此，我們通過研究硅光電池在一定入射光強度下的輸出特性，可以找出它在該入射光強度下的最佳負載電阻.它在該負載電阻時工作狀態為最佳狀態，它的輸出功率最大.4.4硅光電池在一定入射光強度下的曲線因子（或填充因子）F·F曲線因子

7、定義式為F·F=（UmpImp）/（UISC）我們知道，在一定入射光強度下，硅光電池的開路電壓U和短路電流ISC是一定的.而Ump和Imp分別為硅光電池在該入射光強度下輸出功率最大時的電壓和電流.可見，曲線因子的物理意義是表示硅光電池在該入射光強度下的最大輸出效率.從硅光電池的輸出伏安特性曲線來看，曲線因子F·F的大小等于斜線矩形的面積（與M點對應）與矩形ISC U的面積（與M點對應）之比.如果輸出伏安特性曲線越接近矩形，則M與M就越接近重合，曲線因子F· F就越接近1，硅光電池的最大輸出效率就越大.四實驗內容與步驟1. 硅光電池基本常數的測定(1) 測定在一定入

8、射光強度下硅光電池的開路電壓U和短路電流ISC.調節光源與硅光電池處于適當位置不變.b.測出硅光電池的開路電壓U c.測出硅光電池的短路電流ISC.(2) 測定硅光電池的開路電壓和短路電流與入射光強度的關系.a.光源與硅光電池正對時，測出開路電壓U1和短路電流ISC1.b.轉動硅光電池一定角度（如15o）測出U2和ISC2.c.轉動硅光電池角度為30o、45o、60o、75o、90o時，測出不同位置下的U和ISC.d. 自擬數據表格，并用坐標紙畫出ISC及U曲線.2. 在一定入射光強度下，研究硅光電池的輸出特性.保持光源和硅光電池處于適當的位置不變，即保持入射光強度不變. (1) 測量開路電壓U和短路電流ISC.(2) 分別測出不同負載電阻下的電流I和電壓U.(3) 根據U、ISC及一系列相應的R、U、I值.填入自擬表格中.