报告光伏效应实验报告.docx

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报告光伏效应实验报告

【关键字】报告

光伏效应实验报告

篇一：

光伏效应实验报告

　　篇一：

半导体光伏效应实验

　　实验4半导体光伏效应实验

　　本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。

　　一、实验目的

　　1、初步了解太阳能电池机理

　　2、测量太阳能电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系

　　二、实验原理

　　在p型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n结（如图1），由于光照，在a、b电极之间出现一定的电动势。

在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。

利用它制成的元器件称之为太阳能电池。

光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国

　　家致力研究和开拓应用的课题。

　　从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流il是光生电流ip和在光生电压vp作用下产生的p-n结正向电流if之差，即il?

ip?

if。

根据p-n结的电流和电压关系

　　qvp

　　if=is（e

　　kt

　　-1）

　　is为反向饱和电流，式中vp是光生电压，

　　所以输出电流

　　qvp

　　il=ip–is（e

　　kt

　　-1）

（1）

　　此即光电流表达式。

通常ip>>is，上式括号内的1可忽略。

　　对于太阳能电池有外加偏压时，

（1）式应改为

　　qv

　　图1光伏效应结构示意图

　　i

　　l

　　=il+i=il+is（e

　　kt

　　-1）

（2）

　　qv

　　上式中is（e

　　kt

　　-1），就是p-n结在外加偏压v

　　作用下的电流。

图2中的（a）（b）两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的i-v特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了voc和isc。

　　图2太阳能电池的伏安特性实验表明：

在v=0情况下，当太阳能电池外接负载电阻rl，其

　　输出电压和电流均随rl变化而变化。

只有当rl取某一定值时输出功率才能达到最大值pm，即所谓最佳匹配阻值rl?

rlb，而rlb则取决于太阳能电池的内阻ri=

　　voc

　　vocisc

　　。

因

　　和isc均随光照强度的增强而增大，所不同的是voc与光强的对数成正比，isc和ri都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率pm和voc与isc乘积之比

　　ff=

　　pmvocisc

　　与光强（在弱光下）成正比，所以ri亦随光强度变化而变化。

如图3所示。

voc、isc

　　（3）

　　ff是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子。

ff越大，太阳能电池的转换效率就越高。

ff最大值约为0.75－0.85。

　　太阳能电池的等效电路（如图4），在一定负载电阻rl范围内可以近似地视为一个电流源ips与内阻ri并联，和一个很小的电极电阻rs串联的组合。

　　图3开路电动势、短路电流与光强关系曲线图4太阳能电池等效电路

　　四、实验方法

　　1、光强调节与强度的表示

　　本实验所用光源为led（发光二极管），根据led的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改变led的静态工作电流确定光强的相对值。

仪器设定led的工作电流调节范围为0-20ma，对应显示器上的数值为0-XX。

也可用“归一”法表示光强，即设jm为最大光强，j为改变后的光强，则j/jm为无量纲的相对光强。

　　2、标尺的设定

　　为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及笔直方向可调的标尺。

选择三色发光管中任一颜色光源，接通led驱动电源，调节id指示为1000左右，功能切换开关置voc档。

将水平标尺调到10mm左右；再调笔直标尺，使开路电压voc达到最大值，并保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。

由于三色led的发光中心不在同一点，所以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试笔直标尺。

　　3、led驱动电流源粗调和细调旋钮的使用

　　id的调节通过粗调和细调旋钮来实现。

细调旋钮只在id输出较高时起作用，如id显示为1900时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。

五、实验内容

　　1、测量开路电动势voc与光强id的关系

　　测量线路如图5所示。

将功能切换开关打到voc档，然后将面板上voc（毫伏表）正、负输入端与pv装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。

按实验所需光源颜色，接通led驱动电源。

并调节标尺找到实验最佳工作状态。

　　调节id=0（即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于pv装置不完全密封（如导线的入口处），可能有光线漏进装置中,使得voc显示不为0。

　　调节id测量不同光强下，太阳能电池的开路电动势voc。

将数据记入表1,并绘制voc～id曲线，说明其关系。

　　图5测量开路电压voc线路图

　　表1

　　2、短路电流isc的测量

　　测量线路图如图6所示。

将功能切换开关打到isc档（注：

在开启“dc0-1v电源”前请先确

　　认i0旋钮旋转到最小处，以防在瞬间接通时us处于较大值，损坏太阳能电池）；调节dc0-1v电源us输出，使微安表读数i0为10.00-18.00?

a（建议取10.00?

a）。

　　在某一光强id下，改变可调电阻r，使流过检流计（g）的电流ig为零。

此时ab两点之间和ac两点之间的电压应相等,即vab=vac。

因而ir=i0r0,即短路电流

　　isc

　　=i=

　　i0r0r

　　（r0为微安计内阻，为10k?

）

　　图6测量短路电流isc线路图

　　测量不同红光光强下，短路电流isc与光强id的关系，将数据记入表2，并绘制isc～id曲线，说明其关系。

　　表23、按下式求出太阳能电池的内阻ri，并绘制ri~id曲线（自拟表格），说明其关系。

ri?

　　vocisc

　　4、流过负载电流il与负载两端电压vl关系测量

　　选择红光光源进行实验。

　　测量线路如图7所示。

r*为实验仪上标示的il取样电阻，为10kω；rl为功能切换开关打到il档。

　　太阳能电池在恒定光照下（取id约为1000），测量在不同负载电阻rl时流过的电流il与输出电压vl=il?

rl?

r?

?

将数据记入表3，并绘制il~vl曲线。

　　*

　　图7负载特性测量线路图

　　图8光电流与负载电阻两端电压关系曲线

　　计算不同负载电阻下输出功率p，即p=vlil，并绘出p~rl曲线，说明其关系，确定pm时的rlb

　　及填充因子ff?

　　pmvocisc

　　。

　　表3

　　篇二：

光电效应测普朗克常量实验报告

　　三、实验原理1.光电效应

　　当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。

所产生的电子，称为光电子。

光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。

当金属中的电子吸收一个频率为v的光子时，便获得这光子的全部能量hv，如果这能量大于电子摆脱金属表面的约束所需要的脱出功w，电子就会从金属中逸出。

按照能量守恒原理有：

（1）

　　上式称为爱因斯坦方程，其中m和?

m是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面

　　后所具有的最大动能。

它说明光子能量hv小于w时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电效应产生；产生光电效应的入射光最低频率v0=w/h，称为光电效应的极限频率（又称红限）。

不同的金属材料有不同的脱出功，因而υ0也是不同的。

由

（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。

这个相对于阴极为负值的阳极电位被称为光电效应的截止电压。

　　显然，有

　　代入

（1）式，即有

　　（3）

　　由上式可知，若光电子能量

　　，则不能产生光电子。

产生光电效应的最低频率是

（2）

　　，通常称为光电效应的截止频率。

不同材料有不同的逸出功，因而也不同。

由于光的强弱决定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。

又因为一个电子只能吸收一个光子的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子ν的频率成正比，，将（3）式改写为

　　（4）

　　上式表明，截止电压是入射光频率ν的线性函数，如图2，当入射光的频率时，截止电压，没有光电子逸出。

图中的直线的斜率是一个正的常数：

　　（5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的通过式（5）求出普朗克常数h。

其中曲线，并求出此曲线的斜率，就可以是电子的电量。

　　图2u0-v直线

　　2.光电效应的伏安特性曲线

　　图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。

频率为ν、强度为p的光线照射到光电管阴极上，即有光电子从阴极逸出。

如在阴极k和阳极a之间加正向电压，它使k、a之间建立起的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压的增加，到达阳极的光电子将逐渐增多。

当正向电压增加到时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的光电流即称为饱和光电流。

　　图3光电效应原理图

　　由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流i存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电流为零。

图4入射光频率不同的i－u曲线图5入射光强度不同的i－u曲线爱因斯坦方程是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。

实际上做阴极的金属逸出功比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：

（1）暗电流和本底电流。

当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。

它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。

室内各种漫反射光射入光电管造成的光电流称为本底电流。

暗电流和本底电流随着k、a之间电压大小变化而变化。

（2）阳极电流。

制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。

由于它们的存在，使得i～u曲线较理论曲线下移，如图6所示。

　　图6伏安特性曲线

　　五、数据记录与处理1、零电流法测h第一组：

普朗克常数：

6.65×

　　j·s误差0.30%第二组：

普朗克常数：

6.64×第三组：

普朗克常数：

6.64×2、补偿法测h普朗克常数：

6.68×

　　j·s误差0.88%

　　j·s误差0.26%j·s误差0.21%3、伏安特性曲线见下页。

　　六、思考讨论

　　1、什么是光电效应，及内，外光电效应和单光子，多光子光电效应。

　　当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。

所产生的电子，称为光电子。

　　常说的光电效应是外光电效应，即电子从金属表面逸出。

内光电效应是光电效应的一种，主

　　要由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。

内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：

当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。

光生伏特效应：

当一定波长的光照射非均匀半导体（如pn结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压。

　　篇三：

关于各种物理效应实验专题的报告

　　关于各种物理效应实验专题的报告

　　【摘要】：

本文主要对各种物理效应实验专题（液晶电光效应、太阳能电池伏安特性的测量、光电效应）作简要的原理介绍，同时对实验结果进行了阐述和分析，并且由实验结果分析得到相关实验结论。

最后分析了各实验的应用前景。

　　【关键词】：

液晶电光效应、太阳能电池伏安特性的测量、光电效应

　　【abstract】:

thisreportmainlyintroducestheprinciplesbrieflyoftheeffectofvariousphysicalexperimentdissertations（liquidcrystalelectro-opticeffect,measurementofsolarbatteryvolt-amperecharacteristic,thephotoelectriceffect）.atthesametime,theresultofthesethreeexperimentsareexpoundedandanalyzedinthisreport.relevantexperimentalconclusionsfromtheanalysisofexperimentalresultsarealsoanalyzed.finallythisreportintroducestheapplicationprospectsoftheseexperiments.

　　【实验背景】：

　　1、液晶电光效应：

1886年,奥地利的植物学家reinitzer在做有机物的溶解试验时在一定温度范围内观察到液晶.1961年,美国rca公司的heimeier发现了液晶的一系列电光效应,并制成了显示器件.

　　2、太阳能电池伏安特性的测量：

太阳能电池也称光伏电池,是将太阳光辐射能直接转换成电能的器件.由这种器件封装成太阳能电池组件,再按需要将1块一块以上的组件组合成一定功率的太阳能电池方阵,也称光伏发电系统。

　　3、光电效应：

光电效应现象是1887年赫兹在验证电磁波存在时发现的,但运用光的经典电磁波理论无法对光电效应的实验规律做出圆满的解释.1905年，爱因斯坦根据普朗克的能量子假设提出了光电子理论，成功解释了光电效应的规律。

　　【实验原理概述】：

　　1、液晶电光效应：

液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。

液晶分子是含有极性基团的极性分子，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化，从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的电光效应。

　　液晶的电光效应有很多种,主要有动态散射型（dc）、扭曲向列型（tn）等本实验所用的液晶样品即为tn型.

　　图8-40tn型液晶光开关的结构

　　tn型光开关的结构如图8-40所示

　　均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度.取两张偏振片贴在玻璃的两面，p1的透光轴与上电极的定向方向相同，p2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是p1和p2的透光轴相互正交。

　　在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片p1后只剩下平行于透光轴的线偏振光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了90°。

这时光的偏振面与p2的透光轴平行，因而有光通过。

在施加足够电压情况下，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。

于是原来的扭曲结构被破坏，成

篇二：

实验报告--太阳能电池伏安特性的测量

　　实验报告

　　姓名：

张伟楠班级：

F0703028学号：

08实验成绩：

同组姓名：

张家鹏实验日期：

指导教师：

批阅日期：

　　太阳能电池伏安特性的测量

　　【实验目的】

　　1.了解太阳能电池的工作原理及其应用2.测量太阳能电池的伏安特性曲线

　　【实验原理】

　　1．太阳电池的结构

　　以晶体硅太阳电池为例，其结构示意图如图1所示．晶体硅太阳电池以硅半导体材料制成大面积pn结进行工作．一般采用n+/p同质结的结构，即在约10cm×10cm面积的p型硅片（厚度约500μm）上用扩散法制作出一层很薄（厚度~0.3μm）的经过重掺杂的n型层．然后在n型层上面制作金属栅线，作为正面接触电极．在整个背面也制作金属膜，作为背面欧姆接触电极．这样就形成了晶体硅太阳电池．为了减少光的反射损失，一般在整个表面上再覆盖一层减反射膜．

　　图一太阳电池结构示意图

　　2．光伏效应

　　图二太阳电池发电原理示意图

　　当光照射在距太阳电池表面很近的pn结时，只要入射光子的能量大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在p区、n区和结区光子被吸收会产生电子–空穴对．那些在结附近n区中产生的少数载流子由于存在浓度梯度而要扩散．只要少数载流子离pn结的距离小于它的扩散长度，总有一定几率扩散到结界面处．在p区与n区交界面的两侧即结区，存在一空间电荷区，也称为耗尽区．在耗尽区中，正负电荷间形成一电场，电场方向由n区指向p区，这个电场称为内建电场．这些扩散到结界面处的少数载流子（空穴）在内建电场的作用下被拉向p区．同样，如果在结附近p区中产生的少数载流子（电子）扩散到结界面处，也会被内建电场迅速被拉向n区．结区内产生的电子–空穴对在内建电场的作用下分别移向n区和p区．

　　如果外电路处于开

　　路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势．这一现象称为光伏效应（PhotovoltaicEffect,缩写为PV）．3．太阳电池的表征参数

　　太阳电池的工作原理是基于光伏效应．当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到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，实际获得的电流I为

（1）

　　式中VD为结电压，I0为二极管的反向饱和电流，Iph为与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数是由太阳电池的结构和材料的特性决定的．n称为理想系数（n值），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，T为温度．

　　如果忽略太阳电池的串联电阻Rs，VD即为太阳电池的端电压V，则

（1）式可写为

（2）

　　当太阳电池的输出端短路时，V=0（VD≈0），由

（2）式可得到短路电流

　　即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比．当太阳电池的输出端开路时，I=0，由

（2）和（3）式可得到开路电压

　　（3）

　　当太阳电池接上负载R时，所得的负载伏–安特性曲线如图2所示．负载R可以从零到无穷大．当负载Rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应的最大功率Pm为

　　（4）

　　式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压．将Voc与Isc的乘积与最大功率Pm之比定义为填充因子FF，则

　　（5）

　　FF为太阳电池的重要表征参数，FF愈大则输出的功率愈高．FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、串联电阻和并联电阻等．

　　太阳电池的转换效率η定义为太阳电池的最大输出功率与照射到太阳电池的总辐射能Pin之比，即

　　（6）

　　图三太阳电池的伏–安特性曲线

　　4．太阳电池的等效电路

　　图四太阳电池的等效电路图

　　太阳电池可用pn结二极管D、恒流源Iph、太阳电池的电极等引起的串联电阻Rs和相当于pn结泄漏电流的并联电阻Rsh组成的电路来表示，如图3所示，该电路为太阳电池的等效电路．由等效电路图可（转自：

小草范文网:

光伏效应实验报告）以得出太阳电池两端的电流和电压的关系为

　　（7）

　　为了使太阳电池输出更大的功率，必须尽量减小串联电阻Rs，增大并联电阻Rsh．

　　【实验数据记录、实验结果计算】

　　◆实验中测得的各个条件下的电流、电压以及对应的功率的表格如下：

　　表1

　　1.根据以上数据作出各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线

　　2.各个条件下，光伏组件的输出功率P随负载电压V的变化

　　【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】

　　◆各个条件下太阳能电池的伏安特性曲线图的分析与讨论从图中的曲线可以明显看出：

　　1.光照距离越近，也即是光强越大，电池产生的电动势越大（但不能断定是

　　否有上界）；

　　2.研究电动势的大小，两个电池并联，电动势几乎不变，电池串联，电动势

　　大致增大一倍；

　　3.研究电池电阻的大小，在I-V图里，函数线越陡，电阻越小，函数线越平

　　坦，电阻越大。

在图中可以看出：

串联电池使得电池的总电阻倍增，而并联使得电池的总电阻减小；光照强度越大，电池的电阻越小（但应有下界），光照强度越大，电池的电阻越大。

　　4.研究电池的短路电流（这里以图中的各个最大电流作为短路电流），电池

　　的并联使得短路电流增大，串联使得短路电流减小（这是由于内阻串并联的原因）；光照强度越大，短路电流越大，光照强度越小，短路电流越小（从太阳能电池的原理可知：

光照强度决定了光生电流的大小，从而决定了短路电流和电动势的大小）。

　　◆各个条件下输出功率P随负载电压V的变化曲线图的分析与讨论

　　1.虽然各个曲线不是特别平滑，但对于最大输出功率的测量还是很成功的，

　　因为在每条曲线的最高点附近所测量的数据点都足够多，这样对最大功率的估计的准确度有很好的帮助。

篇三：

半导体光伏效应实验

　　实验4半导体光伏效应实验

　　本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。

　　一、实验目的

　　1、初步了解太阳能电池机理

　　2、测量太阳能电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系

　　二、实验原理

　　在P型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n结（如图1），由于光照，在A、B电极之间出现一定的电动势。

在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。

利用它制成的元器件称之为太阳能电池。

光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国

　　家致力研究和开拓应用的课题。

　　从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流IL是光生电流IP和在光生电压VP作用下产生的p-n结正向电流IF之差，即IL?

IP?

IF。

根据p-n结的电流和电压关系

　　qVP

　　IF=IS（e

　　kT

　　-1）

　　IS为反向饱和电流，式中VP是光生电压，

　　所以输出电流

　　qVP

　　IL=IP–IS（e

　　kT

　　-1）

（1）

　　此即光电流表达式。

通常IP>>IS，上式括号内的1可忽略。

　　对于太阳能电池有外加偏压时，

（1）式应改为

　　qV

　　图1光伏效应结构示意图

　　I

　　'

　　L

　　=IL+I=IL+IS（e

　　kT

　　-1）

（2）

　　qV

　　上式中IS（e

　　kT

　　-1），就是p-n结在外加偏压V

　　作用下的电流。

图2中的（a）（b）两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的I-V特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了VOC和ISC。

　　图2太阳能电池的伏安特性

　　实验表明：

在V=0情况下，当太阳能电池外接负载电阻RL，其输出电压和电流均随RL变化而变化。

只有当RL取某一定值时输出功率才能达到最大值Pm，即所谓最佳匹配阻值RL?

RLB，而RLB则取决于太阳能电池的内阻Ri