1、【實驗目的】1、初步了解硅光電池機理。2、測量硅光電池開路電動勢、短路電流、內阻和光強之間關系。3、在恒定光照下測量光電流、輸出功率與負載之間關系。【實驗原理】（原理概述，電學。光學原理圖，計算公式）在P型半導體上擴散一薄層施主雜質而形成的p-n結（如圖1），由于光照，在A、B電極之間出現一定的電動勢。在有外電路時，只要光照不停止，就會源源不斷地輸出電流，這種現象稱為光伏效 應。利用它制成的元器件稱之為硅光電池。光伏效應最重大的應用是可以將陽光直接轉換成電能，是 當今世界眾多國家致力研究和開拓應用的課題*。從光伏效應的機理可知（見附錄），硅光電池輸出的電流Il是光生電流Ip和在光生電壓Vp作用

2、下產生的p-n結正向電流If之差，即Il=Ip-If。根據p-n結 的電流和電壓關系z=/s-1）式中Vp是光生電壓,|s為反向飽和電流，所以輸出電流此即光電流表達式。通常lp Is，上式括號內的1可忽略。對于硅光電池有外加偏壓時，（1 ）式應改為I=IL+I=IL+Is（ekr -1）上式中 一，就是p-n結在外加偏壓V作用下的電流。圖中的（a）（b）兩條曲線分別表示無 光照和有光照時硅光電池的I-V特性，由此可知，硅光電池的伏安特性曲線相當于把 p-n結 的伏安特性曲線向下平移，它在橫軸與縱軸的截距分別給出了 VOC和I SCo實驗表明：在V =0情況下，當硅光電池外接負載電阻 R，其輸出

3、電壓和電流均隨R變化 而變化。只有當R取某一定值時輸出功率才能達到最大值 Pm ,即所謂最佳匹配阻值R=Rb,而 Rb則取決于太陽能電池的內阻R=。因Voc和Is均隨光照強度的增強而增大，所不同的是 Voc 與光強的對數成正比，Isc與光強（在弱光下）成正比，所以R亦隨光強度變化而化。如圖3所 示。Voc I sc和R都是太陽能電池的重要參數，最大輸出功率 Pm和Vo與I s乘積之比FF是表征硅光電池性能優劣的指標，稱為填充因子。硅光電池的等效電路（如圖4），在一定負載電阻R范圍內可以近似地視為一個電流源I ps與內 阻R并聯，和一個很小的電極電阻Rs串聯的組合。L J圖3 JI路電動勢、範路

4、電流 與光強關系曲線的4硅光電池尊效電路【實驗儀器及器材】（應寫明儀器型號、規格、精度）TK-PV1型光伏效應實驗儀TK-PV1型光伏效應實驗儀PV裝宙（光源和光伏電池）0-20曲可謁恒流源II- Ig *bc顯示器徴安計 0-2000.9C細調血取樣丿o-ioouru丁0-1阿調穩壓源CJ 廣&廣（!點氐測 I型肘嚴弓 B屮 ?II功能切換f DC0-1V-,io調節開i)PV裝置是一個內設光源和待測試樣的暗箱，如圖 6所示。試樣裝在右側箱壁，設有紅、 黑兩個接線孔。紅色對應于光生電壓正極。光源裝在一圓管的前端，并固定在左右、上下可 調的標尺上，以調節光源與試樣的距離和試樣表面光照度。箱頂部

5、設有觀察窗，便于檢查光 源工作正常與否。逆時針水平旋動觀察窗手柄為開啟。注意：操作時只許輕輕水平撥動手柄， 嚴禁朝下按壓手柄。LED的電源輸入端設有多個驅動插孔，其中黑色為電源公共端，其他紅、 綠、藍接口分別對應R、G、B光。6 PV袈置T陽內沖MLrl誦 Ot-pff能電池燉7餛畢內比沖芍丈吐能屯申小趺罔【注意事項】1）本實驗提供的連接線為直插式帶彈簧片導線，在接線或拆線時應持“手槍頭”進行操 作，特別在拆線時，嚴禁直接拉扯導線，否則導線易遭損壞。2）在開啟“ DC 0- 1V電源”前請先確認I。旋鈕轉到最小處，以防在瞬間接通時 U處于 較大值，損壞硅光電池。【實驗內容】1、光強調節與強度的

6、表示本實驗所用光源為LED（發光二極管），根據LED的輸出功率與驅動電流呈線性關系，利用 改變LED的靜態工作電流確定光強的相對值。儀器設定 LED的工作電流調節范圍為0-20mA， 對應顯示器上的數值為0-2000。也可用“歸一”法表示光強，即設Jm為最大光強，J為改變后 的光強，則J / J m為無量綱的相對光強。2、標尺的設定為了調節光源與光電池的間距和試樣表面光照的均勻度，設置了水平及垂直方向可調的標 尺。選擇三色發光管中任一顏色光源，接通 LED驅動電源，調節Id指示為1000左右，功能切 換開關置V oc檔。將水平標尺調到10mm左右；再調垂直標尺，使開路電壓 V *達到最大值，

7、并保持該狀態直至該顏色光源的所有實驗完畢為止。由于三色LED的發光中心不在同一點，所以對不同顏色光源，都應按照上述方法重新調試垂直標尺。3、LED驅動電流源粗調和細調旋鈕的使用I d的調節通過粗調和細調旋鈕來實現。 細調旋鈕只在Id輸出較高時起作用，如Id顯示為1900 時，最后一位“ 0”可能會跳動，這時可通過調節細調旋鈕使其穩定。4、測量開路電動勢oc V與光強D I的關系測量線路如圖8所示。將功能切換開關打到Voc檔，然后將面板上Voc（毫伏表）正、負輸 入端與PV裝置的太陽能電池正、負輸出端對應連接。按實驗所需光源顏色，接通LED驅動電源。并調節標尺找到實驗最佳工作狀態。調節I D =

8、 0 （即將粗調和細調旋鈕旋至最小），此 時由于PV裝置不完全密封（如導線的入口處），有光線漏進裝置中，使得V OC顯示不為0，實驗 時應將此數值記錄下來，并在數據的后繼處理時將其減去。調節I D測量不同光強下，太陽能電池的開路電動勢Voc。將數據記入表1,并繪制VocId曲 線。ms測電爪卩兀線貉圖5、短路電流I s的測量測量線路圖如圖9所示。將功能切換開關打到Isc檔當；調節DC 0-1V電源U輸出，使微安表 讀數 I 0為 10.00-18.00 A （建議取 10.00 A）。在某一光強Id下，改變可調電阻R,使流過檢流計（G）的電流Ig為零。此時AB兩點之間 和AC兩點之間的電壓應相

9、等,即Vab =Vac。因而I r=I 0-r 0 ,即短路電流（坯為微安計內阻，為1GKD）用#刖軒趣蹄宅航亡線站罔R測量不同光強下，短路電流I SC與光強I D的關系，將數據記入表2,并繪制I SC I D曲線6、按下式求出太陽能電池的內阻R，并繪制Ri I D曲線（自擬表格）。7、流過負載電流I L與負載兩端電壓乂關系測量選擇三色LED中任意一種光源進行實驗。測量線路如圖10所示。R *為實驗儀上標示的I l取樣電阻，為10KQ ; Rl為電阻箱；將Il 取樣電阻R * （正、負記號端）與Il （微安表）正、負端對應連接，功能切換開關打到Il檔。太陽能電池在恒定光照下（取Id約為1000

10、），測量在不同負載電阻Lr時流過的電流Li與輸出 電壓Vl=W l ,將數據記入表3,并繪制I l就曲線。計算不同負載電阻下輸出功率P,即P趙R，并繪出PR曲線，確定P時的Rb及填充因子【數據處理與結果】（畫出數據表格、寫明物理量和單位，計算結果和不確定度，寫出結 果表達式。注意作圖要用坐標紙）A.開路電動勢和光強Id的關系IDVoc( mVIDVoc( mVIDVoc( mV20285120351600399303021403567004034031315035880040750321160360900412603271803641000417703332003671200421803373

11、0037914004249034140038716004271003455003941800429繪制ID-VOC曲線500ID-VOC曲線圖y = 31.349ln(x) + 198.65R2= 0.996645040035030025020015010050200400600800100012001400160018002000IDB.短路電流lsc的測量測量不同光強下，短路電流lsc與光強ID的系，將數據記入表中，繪制ISC-ID曲線圖。求出硅光電池的內阻 Ri，并繪制Ri-ID曲線圖.4IDRIscRi10013.17.6340.04515012.448.0390.0452009.03

12、411.0690.0333005.10119.6040.0194004.22223.6850.0165003.32430.0840.0136002.73436.5760.0117002.3243.1030.0098002.01349.6770.00810001.59262.8140.00712001.31376.1610.00614001.11989.3660.00516000.974102.6690.004120.000100.00080.00060.00040.00020.0000.000200400y = 0.0644X - 1.2053R2= 0.99896008001000ID120

13、01400160018000.0600.0500.0400.0300.0200.0100.000R-ID曲線圖y =3.鑑；25C.流過負載電流IL與負載兩端電壓VL關系測量RLR總RILVLP010NANNANNAN515NANNANNAN1020NANNANNAN203013.980 ().419 5J363304010.570 ().423 416940508.4900.425 :3.60450607.1000.426 :3.02560706.1000.427 :2.60570805.3400.427 :2.28180904.7500.428 :2.031901003.2800.328

14、-.0761401502.8500.428 -.2181902002.1400.428 ().9162402501.7100.428 ().7312903001.4300.429 ().6133904001.0600.424 ().4494905000.8600.430 ().3705906000.7100.426 ().3026907000.6100.427 ().2607908000.5400.432 ().2338909000.4700.423 ().19999010000.4200.420 ().176IL-VL曲線圖y = -0.0002X + 0.4216R2= 0.0011ILy = 97.855x-0.9O5R2= 0.98887.0006.0005.0004.0003.0002.0001.0000.00020040060080010001200RL【結果討論與誤差分析】結果討論：通過繪制各類圖線，可以判斷，硅光電池的開路電動勢與光強之間存在著對數函數曲線 關系；硅光電池的內阻隨光強的遞增而減小，推測原因可能是硅光電池內電子受光激發后離開價帶， 進入導帶，載流子密度增加，電阻減小；硅光電池的輸出功率和外電路電阻值之間呈現一個反比關系。誤差分析：本實驗為定性分析實驗，誤差推測為主要存在于電阻箱示數切換時的示數變化以及手槍 頭導線的接觸面因接觸面增大導致的電阻值增