硅光电池特性研究
硅光电池特性的研究
硅光电池特性的研究班级：物本0701姓名：学号：2007091100指导老师：硅光电池特性的研究摘要：目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。
而硅光电池是一种半导体光电转换器件,它能把光能直接转换成电能，具有效率高、重量轻、体积小、寿命长等一系列特点。
是工农业生产和国防建设中开发利用太阳能和用于控制、检测的一种重要元件。
为此，我们尝试在普通物理实验中开设了太阳能电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对这两种性质进行测量。
关键词：半导体；PN；硅光电池；光电子；光伏电池；伏安特性引言: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.本实验对硅光电池的基本特性作了初步的探讨，这对广泛认识和利用各种光器件有十分重要的意义。
1 实验原理1.1 PN结的形成及单向导电性原理采用不同的掺杂工艺,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上,在它们的交界面就形成空间电荷区称PN结。
PN结：一块单晶半导体中，一部分掺有受主杂质是P型半导体，另一部分掺有施主杂质是N型半导体时，P 型半导体和N型半导体的交界面附近的过渡区称。
PN结有同质结和异质结两种。
用同一种半导体材料制成的PN 结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。
制造PN结的方法有合金法、扩散法、离子注入法和外延生长法等。
制造异质结通常采用外延生长法。
在P 型半导体中有许多带正电荷的空穴和带负电荷的电离杂质。
在电场的作用下，空穴是可以移动的，而电离杂质（离子）是固定不动的。
N 型半导体中有许多可动的负电子和固定的正离子。
当P型和N型半导体接触时，在界面附近空穴从P型半导体向N型半导体扩散，电子从N型半导体向P型半导体扩散。
空穴和电子相遇而复合，载流子消失。
硅光电池特性研究
硅光电池特性研究————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：硅光电池特性研究【实验目的】1．掌握PN结形成原理及其工作原理；2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；3．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。
【实验原理】1．半导体PN结原理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。
零偏－－－－－－－++++－+++－+P型半导体－－++N型半导体+－+WE R空间电荷区内电场E反偏正偏图17-1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区图17-1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，结果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组织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，使势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，这就是PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。
2．LED工作原理P N+－－－+－－内电场++－++－E+－E W－－+－空 间 电 荷 区+－R+++IR当某些半导体材料形成的PN 结加正向电压时，空穴与电子在PN 结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙E g 有关。
发光波长p λ可由下式确定：/p g hc E λ= （17-1） 式（17-1）中的h 为普朗克常数，c 为光速。
硅光电池特性研究实验
硅光电池特性研究实验【实验原理】在p 型硅片上扩散一层极薄的n 型层，形成pn 结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。
光电池的符号见图5.7.1(b)。
当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。
它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn 结附近时受pn 结内电场的作用，空穴向p 区迁移，使p 区显示正电性，电子向n 区迁移，使n 区带负电，因此在pn 结上产生电动势。
如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。
硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。
(1)在无光照时，光(生)电流0ph I =，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。
根据半导体理论，流经二极管的电流d I 与其两端电压的关系符合以下经验公式0(1)V d I I I e β==- （5.7.1） 式中：β和0I 是常数。
(2)有光照时，ph I >o ，光电池端电压与电流的关系为0(1)V d ph ph I I I I e I β=-=-- (5.7.2)由式(5.7.2)，可以得到以下结论：①当外电路短路时，短路电流sc ph I I =-，光电流全部流向外电路。
②当外电路开路时，开路电压1ln 1ph oc o I V I β⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦即1ln 1sc oc o I V I β⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦，开路电压oc V 与短路电流sc I 满足对数关系；如果sc I 与光通量(或照度)有线性关系，则oc V 与光通量也满足对数关系。
由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大。
因此，在入射光能量不变化的情况下，要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当的值。
硅光电池基本特性的研究(精)
实验5 硅光电池基本特性的研究硅光电池又称光生伏特电池，简称光电池.它是一种将太阳或其他光源的光能直接转换成电能的器件.由于它具有重量轻、使用安全、无污染等特点，在目前世界性能源短缺和环境保护形势日益严峻的情况下，人们对硅光电池寄予厚望.硅光电池很可能成为未来电力的重要来源，同时，硅光电池在现代检测和控制技术中也有十分重要的地位，在卫星和宇宙飞船上都用硅光电池作为电源.本实验对硅光电池的基本特性做初步研究.一.实验目的1. 了解硅光电池的基本结构及基本原理.2. 研究硅光电池的基本特性：3．硅光电池的开路电压和短路电流以及它们与入射光强度的关系;4．硅光电池的输出伏安特性等。
二. 实验仪器YJ-CGQ-I典型传感特性综合实验仪、光源、负载电阻箱.数字万用表.连接线1. 实验装置实验装置由光源和硅光电池两部分组成, 如图1所示.图12. 负载电阻箱如图2所示.图2三. 实验原理1.硅光电池的基本结构.硅光电池用半导体材料制成，多为面结合PN结型，靠PN结的光生伏特效应产生电动势.常见的有硅光电池和硒光电池.在纯度很高、厚度很薄（0.4mm）的N型半导体材料薄片的表面，采用高温扩散法把硼扩散到硅片表面极薄一层内形成P层，位于较深处的N层保持不变，在硼所扩散到的最深处形成PN结.从P层和N层分别引出正电极和负电极，上表面涂有一层防反射膜，其形状有圆形、方形、长方形，也有半圆形.硅光电池的基本结构如图3所示.图32.硅光电池的基本原理当两种不同类型的半导体结合形成PN结时.由于分界层（PN结）两边存在着载流子浓度的突变，必将导致电子从N区向P区和空穴从P区向N区扩散运动，扩散结果将在PN结附近产生空间电荷聚集区，从而形成一个由N区指向P区的内电场.当有光照射到PN结上时，具有一定能量的光子，会激发出电子-空穴对.这样，在内部电场的作用下，电子被拉向N区，而空穴被拉向P区.结果在P区空穴数目增加而带正电，在N区电子数目增加而带负电，在PN结两端产生了光生电动势，这就是硅光电池的电动势.若硅光电池接有负载，电路中就有电流产生.这就是硅光电池的基本原理.单体硅光电池在阳光照射下，其电动势为0.5-0.6V，最佳负荷状态工作电压为0.4-0.5V，根据需要可将多个硅光电池串并联使用.3.硅光电池的光电转换效率硅光电池在实现光电转换时，并非所有照射在电池表面的光能全部被转换为电能.例如，在太阳照射下，硅光电池转换效率最高，但目前也仅达22%左右.其原因有多种，如：反射损失；波长过长的光（光子能量小）不能激发电子空穴对，波长过短的光固然能激发电子-空穴对，但能量再大，一个光子也只能激发一个电子-空穴对；在离PN较远处被激发的电子-空穴对会自行重新复合，对电动势无贡献；内部和表面存在晶格缺陷会使电子-空穴对重新复合；光电流通过PN结时会有漏电等.4. 硅光电池的基本特性4.1 硅光电池的开路电压与入射光强度的关系硅光电池的开路电压是硅光电池在外电路断开时两端的电压，用U∞表示，亦即硅光电池的电动势.在无光照射时，开路电压为零.硅光电池的开路电压不仅与硅光电池材料有关，而且与入射光强度有关，而且与入射光强度有关.在相同的光强照射下，不同材料制做的硅光电池的开路电压不同.理论上，开路电压的最大值等于材料禁带宽度有1/2.例如，禁带宽度为1.1eV的硅做硅光电池，开路电压为0.5-0.6V.对于给定的硅光电池，其开路电压随入射光强度变化而变化.其规律是：硅光电池开路电压与入射光强度的对数成正比，即开路电压随入射光强度增大而增大，但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢.4.2 硅光电池的短路电流与入射光的关系硅光电池的短路电流就是它无负载时回路中电流，用I SC表示.对给定的硅光电池，其短路电流与入射光强度成正比.对此，我们是容易理解的，因为入射光强度越大，光子越多，从而由光子激发的电子-空穴对越多，短路电流也就越大.4.3在一定入射光强度下硅光电池的输出特性当硅光电池两端连接负载而使电路闭合时，如果入射光强度一定，则电路中的电流I和路端电压U均随负载电阻的改变而改变，同时，硅光电池的内阻也随之变化.硅光电池的输出伏安特性曲线如图4所示.图4中，I SC 为U =0，即短路时的电流，I SC .U∞为I=0，即开路时的路端电压，也就是硅光电池在该入射光强度下的开路电压，曲线上任一点对对应的I 和U 的乘积（在图中则是一个矩形的面积），就是硅光电池在相应负载电阻时的输出功率P .曲线上有一点M ，它的对应I mp 和U mp 的乘积（即图中画斜线的矩形面积）最大.可见，硅光电池仅在它的负载电阻值为U mp 和Imp 值时，才有最大输出功率.这个负载电阻称为最佳负载电阻，用R mp 表示.因此，我们通过研究硅光电池在一定入射光强度下的输出特性，可以找出它在该入射光强度下的最佳负载电阻.它在该负载电阻时工作状态为最佳状态，它的输出功率最大.4.4硅光电池在一定入射光强度下的曲线因子（或填充因子）F ·F曲线因子定义式为F ·F =（U mp I mp ）/（U ∞I SC ）我们知道，在一定入射光强度下，硅光电池的开路电压U ∞和短路电流I SC 是一定的.而U mp 和I mp 分别为硅光电池在该入射光强度下输出功率最大时的电压和电流.可见，曲线因子的物理意义是表示硅光电池在该入射光强度下的最大输出效率.从硅光电池的输出伏安特性曲线来看，曲线因子F ·F 的大小等于斜线矩形的面积（与M 点对应）与矩形I SC U ∞的面积（与M 点对应）之比.如果输出伏安特性曲线越接近矩形，则M 与M ′就越接近重合，曲线因子F · F 就越接近1，硅光电池的最大输出效率就越大.四．实验内容与步骤1. 硅光电池基本常数的测定(1) 测定在一定入射光强度下硅光电池的开路电压U∞和短路电流ISC.调节光源与硅光电池处于适当位置不变.b.测出硅光电池的开路电压U∞c.测出硅光电池的短路电流ISC.(2) 测定硅光电池的开路电压和短路电流与入射光强度的关系.a.光源与硅光电池正对时，测出开路电压U∞1和短路电流ISC1.b.转动硅光电池一定角度（如15o）测出U∞2和ISC2.c.转动硅光电池角度为30o、45o、60o、75o、90o时，测出不同位置下的U∞和ISC.d. 自拟数据表格，并用坐标纸画出ISC—Ө及U∞—Ө曲线.2. 在一定入射光强度下，研究硅光电池的输出特性.保持光源和硅光电池处于适当的位置不变，即保持入射光强度不变.(1) 测量开路电压U∞和短路电流ISC.(2) 分别测出不同负载电阻下的电流I和电压U.(3) 根据U∞、ISC及一系列相应的R、U、I值.填入自拟表格中.(4) 计算在该入射光强度下，与各个R相对应的输出功率P=IU，求出最大输出功率P max，以及相应的硅光电池的最佳负载电阻Rmp、Ump、Imp值.(5) 作P—R及输出伏安特性I—U曲线.(6) 计算曲线因子F·F=（UmpImp）/(U∞ISC).。
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。
试验13硅光电池的特性及其应用
实验内容
一、硅光电池零偏和反偏时光电流与输入 光信号关系特性测定
将硅光电池输出端连接到 I / V 转换模块输入 端，将 I / V 转换模块输出端连接到数字电压表头 的输入端，调节发光二极管静态驱动电流，分别 测定光电池在零偏和反偏时光电流与输入光信号 关系。在 5~15mA 内等间距各测10组数据。比较 零偏和反偏时的两条曲线，求出光电池的饱和电 流Is 。 1 10
光电 池结 构示 意图
硅光电池的工作原 理
（1） PN结两端的电流：
I I s于零偏时，V＝0，流过PN结 的电流I＝－IP ；光电池处于反偏时（实验中 取V ＝－5V），流过PN结的电流I ＝－IP- Is ， 当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或 反偏状态。
三、硅光电池伏安特性测定
输入光强度不变时（驱动电流分别取5 mA和15mA），测定当负载在 0.5kΩ～9.5kΩ 的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电 阻变化关系曲线。
数据处理
注意事项
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。
大学物理实验
硅光电池特性的研究
杭州电子科技大学
物理实验中心
前
言 实验目的 实验仪器 实验原理 实验内容 注意事项
前言
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 硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件
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。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、 光能利用等领域用作探测元件， 得到广泛应用
硅光电池特性研究
硅光电池特性研究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]THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，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。
利用它可以进行以下实验内容：1) 硅光电池输出短路时光电流与输入光信号关系。
2) 硅光电池输出开路时产生光伏电压与输入光信号关系。
3) 硅光电池的频率响应。
4) 硅光电池输出功率与负载的关系。
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。
硅光电池特性研究
硅光电池特性研究
硅光电池是一种常见的太阳能电池，其主要成分是硅材料。
硅光电池具有许多特性，比如高效率、长寿命、可靠性等。
下面，我们将对硅光电池的特性进行研究。
首先，硅光电池的高效率是其最重要的特性之一。
硅光电池在太阳辐射照射下能够将光能转化为电能，其转化效率高达20%左右。
相比之下，其他类型的太阳能电池的转化效率一般较低。
由于硅光电池具有高效率的特点，它能够更充分地利用太阳能资源，从而提高了电能的产量。
其次，硅光电池的长寿命也是其重要的特性之一。
硅光电池的寿命一般为25年以上，这意味着在这段时间内，硅光电池能
够持续地工作并产生电能。
相比之下，其他类型的太阳能电池的寿命一般较短。
硅光电池的长寿命使其成为可靠的能源装置，并具有较长的使用寿命。
此外，硅光电池还具有可靠性的特点。
硅光电池在工作过程中不会因为外界干扰而发生故障或损坏。
同时，它还能够适应各种环境条件，包括高温、低温、湿度等。
硅光电池的可靠性使其在各种环境中都能够正常工作，不易受到外界因素的干扰。
除了以上几个特性外，硅光电池还具有其他一些特点。
例如，硅光电池的制造成本较低，生产过程简单易行。
此外，硅光电池还具有较高的稳定性，能够稳定地输出电能。
此外，硅光电池还可以灵活地组合成不同类型的电池阵列，以满足不同需求。
综上所述，硅光电池具有高效率、长寿命、可靠性等特性，这使得它成为目前最主要的太阳能电池之一。
随着技术的不断进步，硅光电池的特性还将得到进一步的提升和完善，使其在太阳能利用中发挥更为重要的作用。
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综合设计实验小论文硅光电池特性研究摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。
硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。
本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。
2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。
3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。
（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流1 实验原理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，深入学习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的机理。
1.1 PN结的形成及单向导电性如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。
同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。
这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。
正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。
空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，另一方面对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）起推动作用，使它们越过空间电荷区进入对方区域。
少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。
在一定条件下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。
达到平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN 结就处于相对稳定的状态。
若在PN 结上加正向电压，即外电源的正极接P 区，负极接N 区，也称为正向偏置。
此时外加电压在PN 结中产生的外电场和内电场方向相反，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN 结处于导通状态。
在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P 区流向N 区的电流）愈大。
正向偏置时，PN 结呈现的电阻很低，一般为几欧到几百欧。
图1若在PN 结上加反向电压，即外电源的正极接N 区，负极接P 区，也称为反向偏置。
此时外加电压在PN 结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。
外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。
但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。
由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN 结呈现的反向电阻很高，可以认为PN 结基本上不导电，处于截至状态。
反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。
由于少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的。
环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。
由以上分析可知，PN 结具有单向导电性。
在PN 结上加正向电压时，PN 结电阻很低，正向电流较大，PN 结处于正向导通状态；加反向电压时，PN 结电阻很高，反向电流很小，PN 结处于截至状态。
图1是半导体PN 结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区。
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PN空间电荷区E 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。
1.2 硅光电池的工作原理光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。
当光照射金、金属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。
有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。
光电二极管是典型的光电效应探测器。
当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。
结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。
同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。
当入射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。
在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系。
图21.3 硅光电池的伏安特性硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如图2所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。
其伏安特性是1eV kTs I I e ⎛⎫=- ⎪⎝⎭（1）式(1)中I 为流过二极管的总电流,Is 为反向饱和电流，e 为电子电荷，k 为玻耳兹曼常量，T 为工作绝对温度，V 为加在二极管两端的电压。
对于外加正向电压，I 随V 指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数当有光照时，入射光子将把处于介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飘移到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（2）确定：1eV kTs p I I e I ⎛⎫=-- ⎪⎝⎭（2）此式表示硅光电池的伏安特性。
式（2）中I 为流过硅光电池的总电流,Is 为反向饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为工作绝对温度，Ip 为产生的反向光电流。
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 ；当光电池处于负偏时流过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负偏状态。
1.4 硅光电池的负载特性光电池作为电池使用如下图所示。
在内 电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于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，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。
图3 实验的值来测定硅光电池的负载特性。
2 实验内容2.1 全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性 2.1.1 步骤（1）按图4连接电路。
图4（2）在外加偏压时，改变负载电阻，测量对应的输出电流和输出电压，并 将数据填入表1（3）利用测得的正向偏压时I-U 关系数据，画出I-U 曲线如图5，并求出常数qnKTβ=和0I 的值。
2.1.2数据记录及处理 表1：正向偏压时I-U 关系由I/Io=e βu -1知当U 较大时，e βu >>1,即lnI=βU+lnIo 由最小二乘法，将表1中最后6点数据处理得：qnKT β==2.60V -1 , Io=6.28×10-6mA , 相关系数r=0.9998图5图62.2 在不加偏压时，用白色光照射，测量硅光电池一些特性。
2.2.1 步骤（1）按图6连接电路。
（2）不加偏压，在遮光条件下，调节白光源到太阳能的距离，在电池距离为20cm ，测量电池在不同负载电阻下，太阳能电池的输出电流I 对太阳能电池的输出电压U 的变化关系，画出曲线如图7，并求出相应的功率，将数据填入表2，,画出输出功率与负载电阻的关系曲线图，如图8（3）求出太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。
（4）计算填充因子max SC OC FF P I U 2.2.2 数据记录及处理表2：白光源到太阳能电池距离为20cm 时，不同负载电阻下，电流I 对电压U 的变化关系，及相应的功率图7图8由图7中关系可求出：短路电流SC I =4.36μΑ和开路电压OC U ＝3.10V 由图8中关系可求出：最大输出功率P max =7.08786Mw,最大输出功率时负载电阻R=2.06K Ω。
填充因子：max SC OCFF P I U =0.4394FF 是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数，FF 值越大,说明太阳能电池对光的利用率越高2.3 测量太阳能电池的光电效应与电光性质 2.3.1 步骤（1）按图6连接电路（2）在暗箱中（用遮光罩挡光），取离白光源20CM 水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J 0;，并填入表3（3）改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量该处的光照强度J ，测量太阳能电池接受到相对光强度J /J 0不同值时，相应的短路电流SC I 和开路电压OC U 的值，将数据填入表3，画出对应的I-U 曲线，如图9（4）列出SC I 和与相对光强J /J o 之间的数据关系，见表4，并描绘它们之间的关系曲线，如图10，求SC I 和与相对光强J /J 0之间的近似关系函数。
（5）列出OC U 和与相对光强J /J 0之间的数据关系，见表5，并描绘它们之间的关系曲线，如图11，求OC U 和与相对光强J /J 0之间的近似关系函数。
2.3.2 数据记录及处理表3：太阳能电池接受到相对光强度J /J 0不同值时，电压和电流的对应值图9I的值：表4：太阳能电池接受到相对光强度J /J0不同值时，相应的SC图10从图10中找出Isc与相对光强J/Jo的近似函数关系为Isc=A(J/Jo)，利用最小二乘法拟合，得Isc=6.814（J/Jo）-0.0905,相关系数r=0.9996.表5：太阳能电池接受相对光强度J /J0不同值时，相应的Uoc的值图11由图11找出Uoc 与相对光强J/Jo 的近似函数关系为Uoc=βln(J/Jo)+C 利用最小二乘法拟合， Uoc=0.5057ln(J/Jo)+4.413，相关系数r=0.922. 从最小二乘法拟合中，可知对短路电流Isc 和开路电压Uoc 关系式成立。