硅光電池特性測試實驗

1、硅光電池特性測試實驗一、實驗?zāi)康?、學習掌握硅光電池的工作原理2、學習掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測試方法4、了解硅光電池的基本應(yīng)用二、實驗內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試實驗2、硅光電池開路電壓測試實驗3、硅光電池光電特性測試實驗4、硅光電池伏安特性測試實驗5、硅光電池負.載特性測試實驗6、硅光電池時間響應(yīng)測試實驗7、硅光電池光譜特性測試實驗三、實驗儀器1、光電探測綜合實驗儀 1個2、光通路組件 1只3、硅光電池封裝組件 1套4、光照度計 1臺5、2#迭插頭對（紅色，50cm） 10根6、2#迭插頭對（黑色，50cm） 10根7、三相電源線 1根8、實驗指導書 1本9、20M

2、示波器 1臺四、實驗原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu) 目前半導體光電探測器在數(shù)碼攝像光通信太陽電池等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，硅光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領(lǐng)會半導體PN結(jié)原理光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機理。零偏反偏正偏圖4-1. 半導體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū) 圖4-1是半導體PN結(jié)在零偏反偏正偏下的耗盡區(qū)，當P型和N型半導體材料結(jié)合時，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結(jié)果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的P型區(qū)出現(xiàn)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，由此

3、而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行，當兩者達到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續(xù)形成電流，此即為PN結(jié)的單向?qū)щ娦?電流方向是從P指向N。2、硅光電池的工作原理硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖3，當半導體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)

4、合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖 4-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（1）中Is為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時，光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)。光電池處于零偏或反偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流Ip與輸入光功率Pi有以下

5、關(guān)系：式(2)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg，以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導帶，對于硅光電池其長波截止波長為c=1.1m，在短波長處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。3、硅光電池的基本特性(1) 短路電流 圖4-3 硅光電池短路電流測試如圖4-3所示，不同的光照的作用下， 毫安表如顯示不同的電流值。在不同的光照作用下，硅光電池短路時的電流值也不同，即為硅光電池的短路電流特性。 (2)開路電壓圖4-4 硅光電池開路電壓測試如圖4-4所示，不同的光照

6、的作用下， 電壓表如顯示不同的電壓值。在不同的光照作用下，硅光電池開路時的電壓也不同，即為硅光電池的開路電壓特性。(3) 光照特性 光電池在不同光照度下， 其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。如圖4-5所示即為硅光電池光生電流和光生電壓與光照度的特性曲線。在不同的偏壓的作用下，硅光電池的光照特性也有所不同。0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開路電壓光生電壓/ V光照度 /Lx圖4-5 硅光電池的光照電流電壓特性 (4)伏安特性 如圖4-6，在硅光電池輸入光強度不變時，測量當負載一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨

7、負載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。其特性曲線如下圖4-6所示 圖4-6 硅光電池伏安特性檢測電路圖如下圖4-7所示： 圖4-7 硅光電池的伏安特性測試(5)負載特性(輸出特性)光電池作為電池使用如圖4-8所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當負載很小時，電流較小而電壓較大；當負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻RL的值來測定硅光電池的負載特性。圖4-8 硅光電池負載特性的測定在線性測量中，光電池通常以電流形式使用，故短路電流與光照度（光能量）呈線性關(guān)系，是光電池的重要光照特

8、性。實際使用時都接有負載電阻RL，輸出電流IL隨照度（光通量）的增加而非線性緩慢地增加，并且隨負載RL的增大線性范圍也越來越小。因此，在要求輸出的電流與光照度呈線性關(guān)系時，負載電阻在條件許可的情況下越小越好，并限制在光照范圍內(nèi)使用。光電池光照與負載特性曲線如圖11所示。圖4-9 硅光電池光照與負載特性曲線（5）光譜特性 一般硅光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，硅光電池所產(chǎn)生光電流/電壓與入射光波長之間的關(guān)系。（6）時間響應(yīng)特性 表示時間響應(yīng)特性白方法主要有兩種，一種是脈沖特性法，另一種是幅頻特性法。1）脈沖響應(yīng) 光敏晶體管受調(diào)制光照射時，相對靈敏度與調(diào)制頻率的關(guān)系稱為頻率特

9、性。減少負載電阻能提高響應(yīng)頻率，但輸出降低。一般來說，光敏三極管的頻響比光敏二極管差得多，鍺光敏三極管的頻響比硅管小一個數(shù)量級。五、注意事項1、當電壓表和電流表顯示為“1”是說明超過量程，應(yīng)更換為合適量程；2、連線之前保證電源關(guān)閉。3、實驗過程中，請勿同時撥開兩種或兩種以上的光源開關(guān)，這樣會造成實驗所測試的數(shù)據(jù)不準確。4、硅光電池的偏壓不要接反。六、實驗步驟1、硅光電池短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖4-10所示。 圖4-10 硅光電池短路電流特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接

10、口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖4-10所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（5）上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。（6）實驗完畢，關(guān)閉電源，

11、拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖4-11所示。圖4-11 硅光電池開路電壓特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖4-11所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別

12、讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生電壓（mA）（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（5）上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應(yīng)光照度下的開路電壓。（6）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、硅光電池光照特性（1）根據(jù)實驗1和2所調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)，作出如圖6所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。（2）改變不同光照度的取值，重復實驗1和實驗2，并作出相應(yīng)硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實驗裝置原理框圖如圖4-12所示。 圖4-12 硅光電池伏安特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度

13、計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖4-12所示的電路連接電路圖，R取值為100歐，打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至500lx。記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入

14、下表；電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓（6）關(guān)閉電源，將R分別換為100，200，510，750，1K，2K，5.1K，7.5K，10K重復上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。（7）改變光照度為100Lx、300Lx，重復上述步驟，將實驗結(jié)果填入下表。100 lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓300 lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流電壓（8）根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進行分析。 （9）實驗完畢，關(guān)閉電源

15、，拆除所有連線。5. 硅光電池負載特性測試實驗（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應(yīng)為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖4-12所示的電路連接電路圖，R取值為RL2=100歐。

16、（6）打開電源，順時針調(diào)節(jié)“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕，逐漸增大光照度至0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分別記錄電流表和電壓表讀數(shù)，填入下表光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）（7）關(guān)閉電源，將R分別換為510， 1K， 5.1K， 10K重復上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。R=510歐光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=1K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV）R=5.1K光照度（lx）0100200300400500600

17、電流（A）電壓（mV）R=10K光照度（lx）0100200300400500600電流（A）電壓（mV） （7）根據(jù)上述實驗所測試的數(shù)據(jù)，在同一坐標軸上描繪出硅光電池的負載特性曲線,并進行分析。6、硅光電池光譜特性測試當不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度。本實驗儀采用高亮度LED（白、紅、橙、黃、綠、藍、紫）作為光源，產(chǎn)生400630nm離散光譜。光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。定義為在波長的單位入射功率的照射下，光電探測器輸出的信號電壓或電流信號。即為或式中，為波長為時的入射光功率；為光電探測器在入射光功率作用下的輸出信號電壓；則為輸出用電流表示的

18、輸出信號電流。本實驗所采用的方法是基準探測器法，在相同光功率的輻射下，則有 式中，為基準探測器顯示的電壓值，K為基準電壓的放大倍數(shù)，為基準探測器的響應(yīng)度。取在測試過程中,取相同值,則實驗所測測試的響應(yīng)度大小由的大小確定.下圖為基準探測器的光譜響應(yīng)曲線。 圖4-13 基準探測器的光譜響應(yīng)曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應(yīng)相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（3）將直流電源2正負極直接與電壓表相連，打開電源，調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。（4）按如圖4-11連接電路圖.（5）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，依次將S2，S3，S4，S5，S6，S7撥上后撥下，記下照度計讀數(shù)最小時照度計的讀數(shù)E作為參考。（注意：請不要同時將兩個撥位開關(guān)撥上）（6）S2撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為E，將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將S2撥下；（7）重復操作步驟（6），分別測試出橙，黃，綠，藍，紫在光照度E下電壓表的讀數(shù)，