硅光电池特性实验共三个实验1教材.docx
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硅光电池特性实验共三个实验1教材
第一章硅光电池综合实验仪说明
一、内容简介
光电池是一种不需外加偏置电压，就能将光能直接转换成电能的PN结光电器件。
按光电池的用途可分为两大类：
太阳能光电池和测量光电池。
太阳能光电池主要用做电源，对它的要求是效率高、成本低。
由于它具有结构简单、体积小、质量轻、可靠性高、寿命长、能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而它不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们的日常生活中。
测量光电池的主要功能是作光电检测用，即可在不加偏置电压的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好和寿命长，因而它被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。
GCSIDC-B型硅光电池综合实验仪从了解和熟悉硅光电池的角度出发，讨论关于硅光电池的主要技术问题，主要研究硅光电池的基本特性，如短路电流、光电特性、光谱特性、伏安特性、及时间响应特性等等，以及硅光电池的简单应用。
本实验仪电路PCB板与光通路组件各占一部分置于箱体内，这样不仅可以让学生对整个实验系统的光通路一目了然，增强学生对系统的理解，而且外观美观大方，携带存放方便。
在电路PCB板部分，模块化设计，配有独立的电压表、电流表和独立照度计，各表头显示单元和各种调节单元都放在面板上，学生做实验时只需要简单连线即可实现相应的功能。
连线、调节、观察和记录都很方便。
实验箱还配备有200欧至500千欧不同阻值的电阻，可供学生配合其它元件自己动手搭建实验之用，提高学生动手动脑能力。
二、实验仪说明
1、电子电路部分结构分布
说明：
（1）电压表：
独立电压表，可切换三档，200mV，2V，20V，通过拨段开关进行调节，白色所指示的位置即为所对应的档位。
“+”“-”分别对应电压表的“正”“负”输入极。
（2）电流表：
独立电流表，可切换四档，200uA，2mA，20mA，200mA通过拨段开关进行调节，白色所指示的位置即为所对应的档位。
“+”“-”分别对应电流表的“正”“负”输入极。
（3）照度计电源：
红色为照度计电源正极，黑色为照度计电源负极。
2、光通路组件
图2硅光电池光通路组件
功能说明：
分光镜：
50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给待测光器件，实验测试方便简单，照度计可实时检测出待测器件所接收的光照度。
光器件输出端：
红色——硅光电池“+”极
黑色——硅光电池“-”极
第二章实验指南
一、实验目的
1、学习掌握硅光电池的工作原理
2、学习掌握硅光电池的基本特性
3、掌握硅光电池基本特性测试方法
4、了解硅光电池的基本应用
二、实验内容
1、硅光电池短路电流测试实验
2、硅光电池开路电压测试实验
3、硅光电池光电特性测试实验
4、硅光电池伏安特性测试实验
5、硅光电池负载特性测试实验
6、硅光电池时间响应测试实验
7、硅光电池光谱特性测试实验
设计实验1：
硅光电池光控开关电路设计实验
设计实验2：
简易光照度计设计实验
三、实验仪器
1、硅光电池综合实验仪1个
2、光通路组件1只
3、光照度计1台
4、2#迭插头对（红色，50cm）10根
5、2#迭插头对（黑色，50cm）10根
6、三相电源线1根
7、实验指导书1本
8、20M示波器1台
四、实验原理
1、硅光电池的基本结构
目前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2-1.半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图2-1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，由于P型材料空穴多电子少，
而N型材料电子多空穴少，因此P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向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电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。
2、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，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。
光电池的基本结构如图2-2，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一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中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漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。
流过PN结两端的电流可由式1确定
图2-2.光电池结构示意图
式
（1）中Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流。
从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于反偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is，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。
光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系：
3、硅光电池的基本特性
（1）短路电流
图2-3硅光电池短路电流测试
如图2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值。
即为硅光电池的短路电流特性。
（2）开路电压
图2-4硅光电池开路电压测试
如图2-4所示，不同的光照的作用下，电压表如显示不同的电压值。
即为硅光电池的开路电压特性。
（3）光照特性
光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图2-5。
图2-5硅光电池的光照电流电压特性
（4）伏安特性
如图2-6，在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载在一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化的关系曲线称为硅光电池的伏安特性。
图2-6硅光电池的伏安特性测试
（5）负载特性（输出特性）
光电池作为电池使用如图2-7所示。
在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于价介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很大时，电流较小而电压较大；当负载很小时，电流较大而电压较小。
实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。
图2-7硅光电池负载特性的测定
在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关系，是光电池的重要光照特性。
实际使用时都接有负载电阻RL，输出电流IL随照度（光通量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL的增大线性范围也越来越小。
因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。
光电池光照与负载特性曲线如图2-8所示。
图2-8硅光电池光照与负载特性曲线
（5）光谱特性
一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。
一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势，如图2-9所示硅光电池频率特性曲线。
图2-9硅光电池的光谱曲线
五、注意事项
1、当电压表和电流表显示为“1＿”是说明超过量程，应更换为合适量程；
2、连线之前保证电源关闭。
3、实验过程中，请勿同时拨开两种或两种以上的光源开关，这样会造成实验所测试的数据不准确。
六、实验内容和步骤（共有三个实验）
（一）实验一：
硅光电池的伏安特性
1、硅光电池短路电流特性测试
实验装置原理框图如图2-11所示。
图2-11硅光电池短路电流特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为0。
（3）将三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（4）按图2-11所示的电路连接电路图
（5）打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度值依次为下表中各值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。
光照度（Lx）
0
100
200
300
400
500
600
光生电流（uA）
（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。
（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
（8）根据表格中的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流特性曲线（即光生电流随光照度变化的曲线）。
2、硅光电池开路电压特性测试
实验装置原理框图如图2-12所示。
图2-12硅光电池开路电压特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为0。
（3）将三掷开关BM2拨到“静态”，拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（4）按图2-12所示的电路连接电路图
（5）打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度值依次为下表中的各值，分别读出电压表读数，填入下表，关闭电源。
光照度（Lx）
0
10
20
30
40
50
100
200
300
400
500
600
光生电压（mA）
（6）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。
（7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
（8）根据表格中的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电压特性曲线（即光生电压随光照度变化的曲线）。
3、硅光电池伏安特性
实验装置原理框图如图2-13所示。
图2-13硅光电池伏安特性测试
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为0。
（3）将三掷开关BM2拨到“静态”，拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（4）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为200欧，打开电源顺时针调节光照度调节旋钮，增大光照度值至500lx。
记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；
（6）关闭电源，将R分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
20K
51K
200K
电流
电压
（7）改变光照度为100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。
100lx：
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
20K
51K
200K
电流
电压
300lx：
电阻
200
2K
5.1K
7.5K
10K
20K
51K
200K
电流
电压
（8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。
（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
（10）计算（或给出）三条伏安特性曲线中的电池性能参数：
短路电流Isc，开路电压Voc，最大输出电流Im，最大输出电压Vm，最大输出功率Pm，和填充因子FF。
（二）实验二：
硅光电池负载特性测试实验
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将照度计电源线与面板上的照度计电源正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，打开照度计，此时照度计的读数应为0。
（3）将三掷开关BM2拨到“静态”，拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（4）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。
（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为2K欧。
（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分别记录电流表和电压表读数，填入下表
光照度（lx）
0
100
200
300
400
500
600
电流（μA）
电压（mV）
（7）关闭电源，将R分别换为510，1K，5.1K，10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。
R=510欧
光照度（lx）
0
100
200
300
400
500
600
电流（μA）
电压（mV）
R=1K
光照度（lx）
0
100
200
300
400
500
600
电流（μA）
电压（mV）
R=5.1K
光照度（lx）
0
100
200
300
400
500
600
电流（μA）
电压（mV）
R=10K
光照度（lx）
0
100
200
300
400
500
600
电流（μA）
电压（mV）
（8）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,并进行分析。
（三）实验三：
硅光电池光谱特性测试（光谱响应曲线）
当不同波长的入射光照到硅光电池上，硅光电池就有不同的灵敏度。
本实验仪采用高亮度LED（白、红、橙、黄、绿、蓝、紫）作为光源，产生400～630nm离散光谱。
光谱响应度是光电探测器对单色光辐射的响应能力。
定义为在波长为λ的单位入射辐射功率下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。
表达式如下：
或
式中，
为波长为λ时的入射光功率；
为光电探测器在入射光功率
作用下的输出信号电压；
则为输出信号电流。
本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有
式中，
为基准探测器显示的电压值，K为基准电压的放大倍数，
为基准探测器的响应度。
取在测试过程中,
取相同值,则实验所测测试的响应度大小由
的大小确定.下图为基准探测器的光谱响应曲线。
图2-14基准探测器的光谱响应曲线
（1）组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口用彩排数据线相连。
（2）将三掷开关BM2拨到“静态特性”，拨位开关S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。
（3）按如图2-12连接电路图.
（4）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。
（注意：
请不要同时将两个拨位开关拨上）
（5）S2拨上，缓慢调节光照度调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；
（6）重复操作步骤（5），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。
波长（nm）
红（630）
橙（605）
黄（585）
绿（520）
蓝（460）
紫（400）
基准响应度
0.65
0.61
0.56
0.42
0.25
0.06
电压（mV）
响应度
（7）根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。
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