硅光电池特性的研究【资料】

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1、硅光电池特性的研究学校：南京理工大学紫金学院姓名：徐锋学号：100105143专业：土木工程摘要研究目的/內E外丁严/外零偏反偏正偏图1.半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区1.掌握PN结形成原理及其工作机理；2.了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系；3.掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。方法利用硅光电池进行研究结论光电池是不需要外加电源而直接把太阳能辐射能转化为电能的器件，其屮应用最广的是硅光电池。应该用电学与光学的-•些重要实验手段及数据处理方法，对硅光电池的伏安特性，负载特性,光电

2、特性做了初步的分析研究。关键字：太阳能电池;伏安特性；负载特性；光电特性正文一、仪器设备1.TKGD—1型硅光电池特性实验仪;2.信号发牛器；3.双踪示波器。图2.发送光的设定、驱动和调制电路框图二、实验原理]引言*目両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1是半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由

3、于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料屮的空穴向N型材料这边扩散，N型材料屮的电子向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

4、屯流，此即为PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。2.LED的工作原理当某些半导体材料形成的PN结加正向电压吋,空穴与电子在PN结复合吋将产生特定波长易=加/仇(1)的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙代有关。发光波长人“可由下式确定：式(1)中力为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙代有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波t半宽度一般在25〜40nni左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率戶与(2)驱动电流/的关系由下式决定：图3.LED发光二极管

5、的正弦信号调制原理p=?]EpI/e式(2)屮，〃为发光效率，鬥是光子能量，e是电荷常数。流，从而改变发光二极管的发射光功率。设定的静态驱动屯流调节范围为0〜20毫安,对应面板上的光发送强度驱动显示值为0〜2000单位。止弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态骡动电流迭加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图3所示，变化的光信号可用于测定光屯池的频率响应特性。3.硅光电池的工作原理硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能

6、，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。p型区超区毋4諛电池结构示意图(+)oo零偏反偏图5•光电池光电信号接收框图输出光功率与驱动屯流呈线性关系，当电流较大时曲于PN结不能及时散热,输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动和调制电路如图2所示。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态骡动电光电池的基木结构如图4,当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在

7、一内电场，当冇光照时，入射光子将把处于介带屮的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载吋就有一光牛电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式3确定式（3）中人为饱和屯流，彷PN结两端电压，风绝对温度，厶为产生的光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，^0,流过PNXTxI=Is（ekT一1）+匚（3）结的电流/二厶；当光电池处于反偏时（在本实验中取^-5V）,流过PN结的电流f因此，当光电池用作光电转换器时,光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处

8、于零偏或反偏状态吋，产生的光电流厶与输入光功率尺有以下关系：IE光电池Rl图6.光电池伏安特性的测泄Ip=RPi（4）式⑷屮斤为响应率，斤值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池斤值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙氏，以保证处于介带中的束缚电了得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为久C二l・l»m，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使斤值很小。图5