课件下载-硅光电池的照度特性

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1、实验九硅光电池特性的研究光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究．【实验目的】1．研究硅光电池的主要参数和基本特性；2．利用硅光电池设计一项具体应用．【实验原理】1．硅光电池的照度特性硅光电池是属于

2、一种有PN结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P区和N区集结，使PN结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．（1）硅光电池的短路电流与照度关系当光照射硅光电池时，将产生一个由N区流向P区的光生电流IPh，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流ID，此电流方向从P区到N区，与光生电流相反，因此实际获得电流I为⎡⎛qV⎞⎤I=IPh−ID=IPh−I0⎢exp⎜⎜⎟⎟−1⎥（1）⎢⎣⎝nkBT⎠⎥⎦式中V为结电压，I0为二极管反向饱和电流，IP

3、h是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n为理想系数是表示PN结特性的参数，通常在1-2之间，q为电子电荷，kB为波尔茨曼常数，BT为绝对温度．在一定照度下，当光电池被短路（负载电阻为零），V=0，由（1）式可得到短路电流I=I（2）SCPh硅光电池短路电流与照度特性见图1．（2）硅光电池的开路电压与照度关系当硅光电池的输出端开路时，I=0，由（1）与（2）式可得开路电压nkT⎛I⎞B⎜SC⎟V=ln+1（3）OC⎜⎟qI⎝0⎠-47-图1硅光电池的光照特性曲线硅光电池开路

4、电压与照度特性见图1．2．硅光电池的伏安特性当硅光电池接上负载R时，硅光电池可以工作在反向偏置电压状态或无偏压状态．它的伏安特性见图2．图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；（2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大．图2硅光电池的伏安特性曲线由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流IPh，在电压轴上的截距即为开路电压VOC．3．硅光电池的光谱响应．图3为硅光电池的光谱特性曲线．即相对灵敏度Kr和入射光波长λ

5、的关系曲线．从图4中可看出，硅光电池的有效范围约在450—1100nm之间．硅光电池的灵敏度K为P()λK()λ=（4）η()()λTλΔλ-48-100其中：（1）P(λ)为硅光电池测得的光强，由硅光80电池短路电流与照度的特性可以看出，在较大的60光照范围内，其短路电流与照度成很好的线性关40系，故可通过测量硅光电池的短路电流表示此时的光强．20（2）实验中所用光源为白色超亮发光二极040060080010001200管，其光强η与波长λ关系可参见实验室提供的nm产品说明书．（3）实验室给出的各种波长滤色片的波长图3硅光电

6、池的光谱特性曲线并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值．表征宽度通常是用半带宽∆λ表示，滤色片的峰值透射率用T表示，各个波长滤色片的∆λ和T并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致．因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T及半带宽∆λ已附在各组实验仪器上．硅光电池的相对灵敏度Kr为K()λKr()λ=（5）KmKm为不同波长对应K（λ）的最大值*4．测量高锰酸钾溶液与透射光强的关系当溶液的浓度较小时，透射光强满足比尔定律−acxI=Ie（6）0式中，c为溶液的浓度，x为液体厚度，a为常数，

7、I0溶度为零时的透射光强．测量通过不同溶液的浓度的短路电流ISC，作lg（ISC）随浓度c的关系曲线，判断是否线性（可用最小二乘法求相关系数）．【实验仪器】硅光电池、光学导轨及支座附件，白色超亮发光二极管，聚光透镜，数字万用表，负载电阻（多圈电位器：100kΩ），滤色片，偏振器，照度计，稳压电源，取样电阻（100Ω），分压电阻R1（100kΩ）和R（多圈电位器：33kΩ），比色槽等．【实验内容】1．研究硅光电池的照度（光强）特性，用特性曲线表示结果．（1）测量硅光电池的短路电流与照度间的关系；由于硅光电池的短路电流随照度的变化

8、太大从而给测量带来了困难，本实验采用测量取样电阻（100Ω）上的电压来代替此时的短路电流．（2）测量硅光电池的开路电压与照度间的关系．-49-实验时通过改变硅光电池与光源间距离来改变照度，硅光电池的位置修正值由实验室提供；测量时，请考虑测量数据分布的合理性．（a）(b)图4测