2022年E驗(yàn)九硅光電池特性的研究大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

1、E 驗(yàn)九硅光電池特性的討論高校物理試驗(yàn) E 驗(yàn)九硅光電池特性的討論 _ 高校物理試驗(yàn) .: 試驗(yàn) 九 硅光電池特性的討論 :.圖一 硅光電池試驗(yàn)裝置全圖來(lái)源 上海交通高校物理試驗(yàn)中心光電池是一種很重要的光電探測(cè)元件,它不需要外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能光電池的種類(lèi)許多,常見(jiàn)的有硒,鍺,硅,砷化鎵等其中最受重視的是硅光電池,由于它有一系列優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)固,光譜范疇寬,頻率特性好,轉(zhuǎn)換效率高,能耐高溫輻射等同時(shí),硅光電池的光譜靈敏度與人眼的靈敏度較為接近,所以許多分析儀器和測(cè)量?jī)x器常用到它本試驗(yàn)僅對(duì)硅光電池的基本特性和簡(jiǎn)潔應(yīng)用作初步的明白和討論 .: 試驗(yàn)預(yù)習(xí) :.硅光電池的照度特

2、性硅光電池是屬于一種有 PN 結(jié)的單結(jié)光電池它由半導(dǎo)體硅中滲入肯定的微量雜質(zhì)而制成當(dāng)光照耀在 PN 結(jié)上時(shí),由光子所產(chǎn)生的電子與空穴將分別向 P 區(qū)和 N 區(qū)集結(jié),使PN 結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)（1）硅光電池的短路電流與照度關(guān)系當(dāng)光照耀硅光電池時(shí),將產(chǎn)生一個(gè)由N 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流I Ph ,同時(shí)由于 PN 結(jié)二極管的特性,存在正向二極管管電流I D 此電流方向從P 區(qū)到 N 區(qū),與光生電流相反,因此實(shí)際獲得電流 I 為式中 V 為結(jié)電壓, I 0 為二極管反向飽和電流,I Ph 是與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流,其比例系數(shù)與負(fù)載電阻大小以及硅光電池的結(jié)構(gòu)和材料特性有關(guān)

3、n 為抱負(fù)系數(shù)是表示 PN 結(jié)特性的參數(shù),通常在 1-2 之間, q 為電子電荷, k B 為波爾茨曼常數(shù),T 為肯定溫度在肯定照度下,光電池被短路（負(fù)載電阻為零）就 路電流硅光電池短路電流與照度特性見(jiàn)圖 1（2）硅光電池的開(kāi)路電壓與照度關(guān)系V = 0 由（ 1）式可得到短當(dāng)硅光電池的輸出端開(kāi)路時(shí),I = 0 , 由（ 1）與（ 2）式可得開(kāi)路電壓（3） 硅光電池開(kāi)路電壓與照度特性見(jiàn)圖 1 2硅光電池的負(fù)載特性當(dāng)硅光電池接上負(fù)載 R 時(shí),硅光電池工作可以在反向偏置電壓狀態(tài)或無(wú)偏壓狀態(tài)它的伏安特性見(jiàn)圖 2由圖中可見(jiàn),硅光電池的伏安特性曲線由二個(gè)部分組成：（1）反偏工作狀態(tài),光電流與偏壓、負(fù)載電阻

4、幾乎無(wú)關(guān)（在很大的動(dòng)態(tài)范疇內(nèi)）；（2）無(wú)偏工作狀態(tài),光電二極管的光電流隨負(fù)載電阻變化很大由圖 2 可看到,在肯定光照下,負(fù)載曲線在電流軸上的截距是短路電流 I Ph ,在電壓軸上的截距即為開(kāi)路電壓 V OC 圖 2 硅光電池的光譜響應(yīng)圖 3 為硅光電池的光譜特性曲線即相對(duì)靈敏度K r 和入射光波長(zhǎng)的關(guān)系曲線從圖3 中可看出,硅光電池的有效范疇約在 4501100 nm 之間試驗(yàn)室給出六種不同的濾色片,透過(guò)各濾色片光的波長(zhǎng)見(jiàn)表 1表 1 濾色片波長(zhǎng)值（1）試驗(yàn)中所用光源為發(fā)光二極管,二極管發(fā)出的光再打在熒光粉上發(fā)出白光,其各譜線所對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)與波長(zhǎng)有關(guān),本試驗(yàn)中所用光源的相對(duì)光強(qiáng)與波長(zhǎng)關(guān)系寫(xiě)在桌子

5、上的表格上面表 2 光源的波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的相對(duì)光強(qiáng)（2）試驗(yàn)室給出的各種波長(zhǎng)濾色片的波長(zhǎng)并不嚴(yán)格,它有肯定的寬度,給出的僅僅是峰值表征寬度通常是用半帶寬 . 表示,濾色片的峰值透射率用 T 表示,各個(gè)波長(zhǎng)濾色片的 . 和 T 并不一樣,即使同一波長(zhǎng)濾色片的峰值透射率在技術(shù)上也很難做到一致因此,對(duì)每組試驗(yàn)儀器,各波長(zhǎng)濾色片對(duì)應(yīng)的峰值透射率 T 及半帶寬 . 已附在各組試驗(yàn)儀器上（3）硅光電池的靈敏度 K 為（4） P 為硅光電池測(cè)得的光強(qiáng),可用硅光電池的輸出電壓或電流表示；硅光電池的相對(duì)靈敏度 K r 為 K m 為不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) K （ ）的最大值 4試驗(yàn)中,光源的能量主要集中在紅外區(qū)域,本試驗(yàn)所用

6、的偏振片對(duì)紅外不起偏,因此要挑選合適的濾色片濾掉紅外光,才能進(jìn)行驗(yàn)證馬呂斯定律的試驗(yàn)內(nèi)容 .: 試驗(yàn)儀器 :.硅光電池、光學(xué)導(dǎo)軌及支座附件,光源,聚光透鏡,比色槽,數(shù)字萬(wàn)用表,多圈電位 器,濾色片,偏振片,照度計(jì) .: 摸索題 :. 1試驗(yàn)中所用光源的電壓發(fā)生變化,表二所供應(yīng)的參數(shù)是否發(fā)生變化？提示：試驗(yàn)中所用的光實(shí)際上是二極管直接發(fā)出的光打到熒光粉上,然后發(fā)出的熒光,相對(duì)光強(qiáng)的分布,應(yīng)當(dāng)取決于熒光粉的性質(zhì),和所加的電壓沒(méi)有關(guān)系；所以,所用光源的 電壓變化,表二供應(yīng)的參數(shù)應(yīng)當(dāng)不發(fā)生變化； 2硅光電池的輸出與入射光照耀瞬時(shí)有沒(méi)有滯后現(xiàn)象？可否用試驗(yàn)證明提示：有；入射光照耀訊號(hào)需要先轉(zhuǎn)變載流子的分

7、布,再轉(zhuǎn)變硅光電池的輸出,這個(gè) 光電過(guò)程是需要反應(yīng)時(shí)間的；這個(gè)時(shí)間推遲可以用試驗(yàn)來(lái)證明；事實(shí)上,在光通信網(wǎng)絡(luò)中,由于光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換造 成的瓶頸已經(jīng)是這個(gè)現(xiàn)象的驗(yàn)證了；只不過(guò),那里用的都是光電接收器,而這里是作為電 池的硅；原理是一樣的； 3動(dòng)態(tài)電阻與通常的電源內(nèi)阻是否是同一概念？提示：不是；二者是完全不同的概念；“ 動(dòng)態(tài)電阻” 定義為二極管在任意一個(gè)工作點(diǎn)處,電壓相對(duì)于電流的導(dǎo)數(shù)；一般而言,工作點(diǎn)轉(zhuǎn)變時(shí),動(dòng)態(tài)電阻也跟著轉(zhuǎn)變,這就是之所以叫做動(dòng)態(tài)電阻的緣由；在 V I 特性 曲線中,動(dòng)態(tài)電阻是曲線的斜率；而一般的電源內(nèi)阻,是說(shuō)電源內(nèi)部存在電阻,所以電流流過(guò)電源時(shí),電壓除了上升一 個(gè)電動(dòng)勢(shì)外,仍會(huì)有一個(gè)電壓降； 4設(shè)計(jì)一個(gè)測(cè)量高錳酸鉀溶液濃度與透射率關(guān)系的試驗(yàn)裝置；如上圖所示,支架上的柱狀玻璃容器內(nèi),存有溶液；讓激光器打出的光,通過(guò)溶液,再用照度記測(cè)量出射的光；更換濃度不同的溶液,探測(cè)器探測(cè)到的光強(qiáng)