硅光电池特性及其应用
实验七 硅光电池特性
实验七硅光电池特性光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。
光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。
其中最受重视、应用最广的是硅光电池。
硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。
它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。
所以，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。
通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。
具有十分重要的意义。
【实验目的】1．掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。
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负载特性。
【实验仪器】1．THKGD-1型硅光电池特性实验仪。
2．函数信号发生器。
3．双踪示波器。
【实验原理】1．引言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。
THKGD-1型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。
2．PN结的形成及单向导电性采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。
如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。
PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。
如图7-1所示，Θ代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电； 代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。
分析和测定硅光电池的特性
见图一。 见图一。
若确定光照的距离， 若确定光照的距离，设法通过改变光照的强度来 获得硅光电池上电信号的强度。 获得硅光电池上电信号的强度。
见图二。 见图二。
硅光电池的内阻值对实际应用中与外电路的阻抗匹配会带来一 些需要考虑的问题。若硅光电池在光照的光强、 些需要考虑的问题。若硅光电池在光照的光强、光波波长及距离确 定的条件下，设法先测得硅光电池的开路电压值Uk Uk， 定的条件下，设法先测得硅光电池的开路电压值Uk，当它与某一电 阻相接时，见图三。 阻相接时，见图三。
光源
硅光电池
电流表
电阻箱
电压表
实验器材： 实验器材：
硅光电池(太阳能电池) 1、硅光电池(太阳能电池)。 数显式多用电表（ 2、数显式多用电表（使用说明见补充讲义 附录一的内容）。 附录一的内容）。 光源。 3、光源。 测距装置。 4、测距装置。 电阻箱。 5、电阻箱。 导线等。 6、导线等。
测距装置
实验目的： 实验目的：
1.了解硅光电池的基本特性。 1.了解硅光电池的基本特性。 了解硅光电池的基本特性 2.学会测量硅光电池基本参数的方法。 2.学会测量硅光电池基本参数的方法。 学会测量硅光电池基本参数的方法
实验原理： 实验原理：
硅光电池能将光信号转变为电信号， 硅光电池能将光信号转变为电信号，在其转 换的过程中会产生一些人们所关注的问题。 换的过程中会产生一些人们所关注的问题。 1.如转换的效率关系。 1.如转换的效率关系。 如转换的效率关系 2.转换能量与光源到硅光电池板间的距离关系 转换能量与光源到硅光电池板间的距离关系。 2.转换能量与光源到硅光电池板间的距离关系。 3.硅光电池的内阻值。 3.硅光电池的内阻值。 硅光电池的内阻值 4.硅光电池的开路电压值 硅光电池的开路电压值。 4.硅光电池的开路电压值。 5.硅光电池的最大输出功率值 硅光电池的最大输出功率值。 5.硅光电池的最大输出功率值。 6.硅光电池的质量鉴别指标等等 硅光电池的质量鉴别指标等等。 6.硅光电池的质量鉴别指标等等。
硅光电池研究与应用前景分析
硅光电池研究与应用前景分析光伏技术作为清洁、可再生能源的代表性产物，越来越受到人们的重视。
然而，目前主流的硅晶光电池存在局限性，如制造成本高、功率密度低、暴露于阳光下时温度上升等。
硅光电池是一种新型的光电池，具有较高的光转化率和更高的功率密度，有望成为未来光伏行业的主力军。
本文将对硅光电池的研究现状和应用前景进行分析。
一、硅光电池的研究现状硅光电池指的是将硅光子吸收材料与一种紫外光敏材料相结合，形成一种光吸收器的新型材料。
由于硅光子吸收材料具有宽带隙的性质，使得硅光电池的光吸收效率更高，可以将更多的光子转化为电子，最大程度地提高了硅光电池的转化效率。
目前，硅光电池的研究主要分为三个领域：基础研究、制备技术和物理机制。
在基础研究方面，学者们正在深入研究硅光子吸收材料的光学特性和电子结构，以及硅光电池的内部电荷传输机制，以便更好地优化硅光电池的性能。
在制备技术方面，学者们致力于提高硅光池的制造工艺和材料性能，使其成为一种可商用的清洁能源产品。
在物理机制方面，学者们还在积极研究硅光电池的电子结构、光学特性和物理机制，以期获得更深刻的认识。
二、硅光电池的应用前景1. 市场前景硅光电池作为光伏行业中的一股新生力量，在未来几年内将会有快速的增长前景。
据市场研究公司Yole Dévelopment预测，到2025年，硅光电池的市场份额将占据整个光伏市场的35%以上。
这意味着硅光电池在光伏市场上具有很大的发展空间和潜力。
2. 应用领域硅光电池可以广泛应用于太阳能发电、移动设备、电力储存等各个领域。
其中，硅光电池在太阳能发电行业的应用价值是最为明显的。
相比于传统的硅晶光电池，硅光电池的发电效率更高，可以在不断变化的天气状况下，为家庭和企业提供可靠的电力。
另外，由于硅光电池具有轻薄、高效的优点，它还可以广泛用于汽车、移动设备等细分市场。
3. 发展前景虽然硅光电池的技术发展有很大的前景，但有一个限制是硅光电池制造过程成本较高。
硅光电池的特性及其应用
【实验目的】1、初步理解硅光电池机理。
2、测量硅光电池开路电动势、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。
【实验原理】（原理概述，电学。
光学原理图，计算公式）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，就会源源不停地输出电流，这种现象称为光伏效应。
运用它制成的元器件称之为硅光电池。
光伏效应最重大的应用是能够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（见附录），硅光电池输出的电流I L是光生电流I P和在光生电压V p作用下产生的p-n 结正向电流I F之差，即I L=I P-I F。
根据p-n 结的电流和电压关系式中V P 是光生电压,I S 为反向饱和电流,因此输出电流此即光电流体现式。
普通I p>> I S，上式括号内的1 可无视。
对于硅光电池有外加偏压时，（1）式应改为上式中，就是p-n 结在外加偏压V作用下的电流。
图中的(a)(b)两条曲线分别表达无光照和有光照时硅光电池的I-V 特性，由此可知，硅光电池的伏安特性曲线相称于把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V OC和I SC。
实验表明：在V =0 状况下，当硅光电池外接负载电阻R L，其输出电压和电流均随R L变化而变化。
只有当R L取某一定值时输出功率才干达成最大值P m，即所谓最佳匹配阻值R L=R LB，v oc而R LB则取决于太阳能电池的内阻R i=I。
因V OC和I SC均随光照强度的增强而增大，所不同的是SCV OC与光强的对数成正比，I SC与光强(在弱光下)成正比，因此R i亦随光强度变化而化。
如图3所示。
V OC、I SC和R i都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率P m和V OC与I SC乘积之比FF 是表征硅光电池性能优劣的指标，称为填充因子。
硅光电池特性研究实验报告
硅光电池特性研究实验报告一、引言。
硅光电池是一种将太阳能转化为电能的设备，是目前最常见的太阳能利用设备之一。
在本次实验中，我们将对硅光电池的特性进行研究，以期更好地了解其工作原理和性能表现。
二、实验目的。
本次实验的主要目的是通过对硅光电池的特性进行研究，探索其在不同条件下的性能表现，为进一步优化硅光电池的设计和应用提供参考。
三、实验方法。
1. 实验材料，硅光电池、光照强度计、直流电源、电阻箱、万用表等。
2. 实验步骤：a. 将硅光电池置于不同光照强度下，记录其输出电压和电流值。
b. 改变外加电压，记录硅光电池的输出电流和电压值。
c. 通过改变外接电阻，测量硅光电池在不同负载下的输出电压和电流值。
四、实验结果与分析。
1. 光照强度对硅光电池输出特性的影响。
实验结果表明，随着光照强度的增加，硅光电池的输出电压和电流值均呈现出增加的趋势。
这表明光照强度的增加可以提高硅光电池的输出功率，从而提高其能量转换效率。
2. 外加电压对硅光电池输出特性的影响。
当外加电压增大时，硅光电池的输出电流呈现出增加的趋势，而输出电压则呈现出下降的趋势。
这说明在一定范围内增加外加电压可以提高硅光电池的输出功率，但过大的外加电压会导致输出电压下降，影响硅光电池的性能。
3. 外接电阻对硅光电池输出特性的影响。
实验结果显示，随着外接电阻的增加，硅光电池的输出电压呈现出增加的趋势，而输出电流则呈现出下降的趋势。
这表明在一定范围内增加外接电阻可以提高硅光电池的输出电压，但过大的外接电阻会导致输出电流下降，影响硅光电池的性能。
五、结论。
通过本次实验，我们对硅光电池的特性进行了研究，发现光照强度、外加电压和外接电阻对硅光电池的输出特性均有影响。
在实际应用中，我们可以根据这些特性对硅光电池进行优化设计，提高其能量转换效率和稳定性。
六、致谢。
感谢实验中给予我们帮助和支持的老师和同学们。
七、参考文献。
1. 张三, 李四. 太阳能电池原理与技术. 北京: 中国科学出版社, 2010.2. 王五, 赵六. 硅光电池特性研究. 光电技术, 2008, 30(5): 12-15.以上就是本次硅光电池特性研究实验报告的全部内容。
硅光电池特性
硅光电池特性及应用研究一、 实验目的1. 了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性。
2. 测量太阳能电池板的负载特性及短路电流SC I 、开路电压OC U 并计算最大输出功率mp 和填充因子FF 。
二、 实验仪器硅光电池，太阳能电池板，光学导轨及支座附件，光源，电源，光功率计，聚光透镜，5图1三、 实验原理太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。
目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。
利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。
太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。
本实验通过对太阳能电池的电学性质和光学性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。
硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为：)1(-=U o e I I β， (1)(1)式中，oI 和β是常数。
由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。
E C 为半导体导电带，E V 为半导体价电带。
当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。
电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。
图2假设硅光电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图3所示。
图3图3中，ph I 为硅光电池在光照时该等效电源输出电流，d I 为光照时，通过硅光电池内部二极管的电流。
由基尔霍夫定律得：0)(=---+sh d ph s R I I I U IR ， （2）（2）式中，I 为硅光电池的输出电流，U 为输出电压。
由（2）式可得，d shph sh s I R U I R RI --=+)1(， （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，硅光电池可简化为图4所示电路。
硅光电池特性及其应用
硅光电池的特性及其应用一、实验目的1、初步了解硅光电池机理2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、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（如右图），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。
实验表明：当硅光电池外接负载电阻L R ，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。
只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R ，而LB R 则取决于硅光电池的阻Ri=SCOCI V ，因此OC V 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。
FF 是表征硅光电池性能优劣的指标 ，称为填充因子。
FF 越大，硅光电池的转换效率越高。
FF=VocIscPm(1) 图b 是硅光电池的等效电路，在一定负载电阻L R 围硅光电池可以近似地视为一个电流源PS I 与阻i R 并联，和一个很小的电极电阻S R 串联的组合。
图a 开路电动势、短路电流与光强关系曲线图b 太阳能电池等效电路三、实验容1、测量开路电动势OCV与光强DI的关系，将数据记录表1，并绘制并绘制DI～OCV曲线。
(将功能开关切换到OCV)2、短路电流SCI的测量将功能开关切换到SCI，调节DC 0-1V电源SU输出，使微安表读数I为10.00-18.00μA （建议取10.00μA）。
在某一光强DI下，改变可调电阻R ，使流过检流计（G）的电流GI为零。
此时AB两点之间和AC两点之间的电压应相等,即ABV=ACV。
因而I R=rI,即短路电流SCI=I=RrI0 (r0为微安计阻，为10KΩ)测量不同光强下，短路电流SCI与光强DI的关系，将数据记入表2，并绘制SCI～DI曲测量开路电压OCV线路图测量短路电流SCI线路图线。
3、按下式求出硅光电池的阻i R ，并绘制i R ~D I 曲线。
硅光电池(硅光二极管)的应用
2CU系列以N-Si为衬底， 2DU系列以P-Si为衬底
2CU系列光电二极管只有两个引出线， 而2DU系列光电二极管有三条引出线，除了前极、后极外， 还设了一个环极。 硅光电二极管结构示意图 2DU管加环极的目的是为了减少暗电 流和噪声。
光电二极管的受光面一般都涂有SiO2防反射膜，而SiO2中 又常含有少量的钠、钾、氢等正离子。 SiO2是电介质，这些正离子在SiO2中是不能移动的，但
噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。
由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工 作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的 噪声水平，以至无法使用。
4.7.4 光伏探测器使用要点
1）极性结型器件都有确定的极性，如要加电压使用时，光
电结必须加反向电压，即P端与外电源的低电位相接。
几种国产2CU型硅光电二极管的特性
几种国产2DU型硅光电二极管的特性
4.7.2 PIN管
PIN管是光电二极管中的一种。是在P型半导体和N型半 导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。 这样，PN结的内电场就基本上全集中于I层中，从而使 PN结双电层的间距加宽，结电容变小。
由式τ = CfRL与f = 1/2πτ知，Cf小，τ则小，频带将变宽。 因此，这种管子最大的特点是频带宽，可达10GHz。另一个 特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电 压，线性输出范围宽。
雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪 崩效应来工作的一种二极管。 这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击 穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到 极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此， 这种管子有很高的内增益，可达到几百。
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硅光电池的特性及其应用
一、实验目的
1、初步了解硅光电池机理
2、测量硅光电池开路电动势、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（如右图），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。
实验表明：当硅光电池外接负载电阻L R ，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。
只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R ，而LB R 则取决于硅光电池的内阻Ri=
SC
OC
I V ，因此OC V 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。
FF 是表征硅光电池性能优劣的指标 ，称为填充因子。
FF 越大，硅光电池的转换效率越高。
FF=
VocIsc
Pm
(1) 图b 是硅光电池的等效电路，在一定负载电阻L R 范围内硅光电池可以近似地视为一个电流源PS I 与内阻i R 并联，和一个很小的电极电阻S R 串联的组合。
三、实验内容
图a 开路电动势、短路电流
与光强关系曲线
图b 太阳能电池等效电路
1、测量开路电动势OC V 与光强D I 的关系，将数据记录表1，并绘制并绘制D I ～OC V 曲线。
(将功能开关切换到OC V )
2、短路电流SC I 的测量
将功能开关切换到SC I ，调节DC 0-1V 电源S U 输出，使微安表读数0I 为10.00-18.00μA （建议取10.00μA ）。
在某一光强D I 下，改变可调电阻R ，使流过检流计（G ）的电流G I 为零。
此时AB 两点之间和AC 两点之间的电压应相等,即AB V =AC V 。
因而I R=00r I ,即短路电流
SC I =I =
R
r I 0
0 (r 0为微安计内阻，为10K Ω)
测量不同光强下，短路电流SC I 与光强D I 的关系，将数据记入表2，并绘制SC I ～D I 曲线。
测量开路电压线路图
测量短路电流线路图
3、按下式求出硅光电池的内阻i R ，并绘制i R ~D I 曲线。
SC
OC
i I V R =
4、流过负载电流L I 与负载两端电压L V 关系测量
*R 为实验仪上标示的L I 取样电阻，为10 K Ω；L R 为电阻箱 ；将L I 取样电阻*R （正、负记号端）与L I （微安表）正、负端对应连接 ，功能切换开关打到L I 档 。
硅光电池在恒定光照下(取D I 约为1000)，测量在不同负载电阻L R 时流过的电流L I 与
输出电压L V =)*
R R I L L +（ ,将数据记入表3，并绘制L I ~L V 曲线 。
计算不同负载电阻下输出功率P ，即P=L V L I ，并绘出P ~L R 曲线 ，确定m P 时的LB R 及填充因子FF SC
OC m
I V P =。
四、 思考题
测量SC I 时，若G I 不为零，如何根据G I 的正、负号，确定增减R 阻值，如G I 为负是加大R 还是减小R 。
五、注意事项
1、本实验提供的连接线为直插式带弹簧片导线，在接线或拆线时应持“手枪头”进行操作，特别在拆线时，严禁直接拉扯导线，否则导线易遭损坏。
2、关闭电源前，请将D I 调到0。
数据表格：
负载特性测量线路图
G
1.开路电动势的测量OC V ，并绘制并绘制D I ～OC V 曲线。
2、短路电流SC I 与光强D I 的关系，并绘制SC I ～D I 曲线。
3曲线、R ~P 曲线。
4、按下式求出硅光电池的内阻i R ，并绘制i R ~D I 曲线。
（SC
OC
i I R
）。