硅光电池和硒光电池的稳定性和温度特性
光电池的基本特性
Fundamental characteristics of photovoltaic cells
课程内容 Course Contents
1. 光照特性 2. 光谱特性 3. 频率响应
4. 温度特性
5. 稳定性
1. 光照特性
硅光电池的光照特性
不同光照度下，光电流和光生电压的变化情况是不同的。
(1) 光电池的材料及制造工艺
(2) 使用环境条件
THANK YOU
短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的。
光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用。
1. 光照特性
硅光电池的负载特性
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽。
2. 光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不 同的。从曲线可看出，硒光电池在可见光 谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在 540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用 的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm 附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内 应用。
3. 频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系。
硅光电池具有较宽的频率响应 ,可用于高速计数的光电转换。
4. 温度特性 开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标。
硅光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的 性能是相当稳定的。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。 影响性能和寿命因素：
传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案教材：传感器技术（第3版）贾伯年主编，及其他参考书第8章光电式传感器8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。
8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。
光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。
光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。
8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。
答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。
当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。
8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。
答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。
因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。
光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。
8-6 简述CCD图像传感器的工作原理及应用。
8-7 何谓PSD？简述其工作原理及应用。
8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。
8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。
8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。
答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。
应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。
8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。
硅光电池特性的研究实验报告（DOC）
硅光电池基本特性的研究太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。
硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。
因此，在普通物理实验中开设硅光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，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。
[实验目的]1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压U OC、最大FF3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系；[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。
零偏反偏正偏图 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，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 。
硅光电池基本特性的研究
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＋ ＋ 负电极N 层PN 结P 层正电极层防反射层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
硅光电池特性研究硅光电池特性研究【实验目的】1.了解硅光电池工作原理2.掌握硅光电池的工作特性。
【实验原理】硅光电池是根据光伏效应而制成的将光能转换成电能的一种器件，它的基本结构就是一个P-N 结。
硅光电池P-N 结的制造，一般是在P 型硅片上扩散磷形成N 型薄层，是N/ P 型电池。
也可在N 型硅片上扩散硼形成P 型薄层，形成P/N 型电池。
光电池是在N（P）型硅基底上扩散P（N）型杂质并作为受光面，构成个P-N 结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用），即成硅光电池（图1 所示）。
图 1 硅光电池结构1、P-N 结偏置特性当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，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。
图2 所示是半导体PN 结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区。
(a)零偏(b) 反偏(c) 正偏图 2 硅光电池PN 结在零偏，反偏和正偏下的耗尽区2、光伏效应当硅光电池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，电池对光子的本征吸收和非本征吸收都产生光生载流子，但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。
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。
硅光电池特性研究
硅光电池的主要特性为：
（1）硅光电池的主要参数和照度特性
开路电压曲线。硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照度的特性曲线称为开路电压曲线。
短路电流曲线。在一定光照条件下，光电池被短路时所输出的光电流值称为短路光电流。光电流密度与照度的特性曲线称为短路电流曲线。
图5硅光电池的光谱响应特性曲线
从硅光电池的光谱响应特性曲线可以看出，光电流在波长4000A到6200A的范围内，是随着波长的增长而逐渐的变大。
（二）测量硅光电池的负载特性
1、按图6连接好电路实验装置
图6测量硅光电池负载特性装置图
2、盖住硅光电池的光入射口，把电流计调零。
3、打开He-Ne激光器，正射到硅光电池上，测量不同负载电阻值下的电流和电压值，并将实验数据列于表二
图2 硅光电池的光电特性
1－开路电压特性曲线 2－短路电流特性曲线
（2）硅光电池的负载特性
硅光电池的伏安特性与最佳匹配。随着负载电阻的变化，回路中电流I和硅光电池两端的电压U相应地变化，称为硅光电池的伏安特性。当负载电阻取某一值时，其输出功率最大，这称为最佳匹配，此时所用的电阻称为最佳匹配电阻。
硅光电池的内阻。从理论上可以推导出硅光电池的内阻等于开路电压除以短路电流。可以观察到光照面积不同时，硅光电池的内阻将发生变化。
图4硅光电池温度特性
1－开路电压 2－短路电流
【实验内容和步骤】
（一）测量硅光电池的光谱的响应特性
1.把入射光挡掉，把检流计打到“×1”挡，然后把检流计调到零。
2．点亮白炽灯光源（12V），并把发光灯丝对焦成像在单色议的狭缝上面，使硅光电池接受的光电流不要超过检流计的刻度。
3．以硅光电池为接受接收元件，转动波鼓为：17.8cm，18.0cm，18.2cm，18.4cm，18.6cm，18.8cm，19.0cm，19.2cm，19.4cm，19.6cm，19.8cm，20.0cm，20.4cm，21.0cm，21.4cm，21.8cm，22.6cm，22.8cm。在进行测量前，一定要把波鼓转到17.8的位置，检查光电流是否大小适当，不要超过检流计的量程。
硅光电池选型原则
硅光电池，也称为光电池或太阳能电池，是一种将光能直接转换为电能的半导体器件。
在选型时，应考虑以下几个原则：
1. 光谱响应范围：硅光电池对不同波长的光有不同的响应能力，选型时应根据实际应用场景的光谱特性选择合适的硅光电池。
2. 光电转换效率：高效的光电转换效率能够提高能量转换效率，降低成本，这是选型时的重要考量因素。
3. 输出电流和电压：根据负载需求，选择输出电流和电压符合要求的硅光电池。
4. 稳定性：硅光电池的稳定性包括光照稳定性、温度稳定性和时间稳定性，这对于长期使用的产品尤为重要。
5. 成本：在满足性能要求的前提下，选择性价比较高的产品。
6. 尺寸和重量：根据安装空间和携带便利性的要求，选择合适的尺寸和重量的硅光电池。
7. 环境适应性：硅光电池应能在各种环境条件下正常工作，包括温度、湿度和紫外线等。
8. 寿命：长寿命的硅光电池可以降低维护成本，提高系统的整体经济性。
9. 可靠性和安全性：选择具有良好安全性能和可靠性的产品，以确保系统运行的安全和稳定。
10. 品牌和售后服务：选择知名品牌的产品，可以享受更好的售后服务和技术支持。
综合以上因素，用户可以根据自己的具体需求和使用环境来选择最合适的硅光电池。
传感器习题 (2)
一、填空题（每空1分，共28分）1.依据传感器的工作原理，传感器分三个部分组成。
2.变间隙式电容传感器的非线性误差与极板间初始距离d0之间是。
3.依据光纤传感器的原理，可以分为与器。
4.内光电效应分为：和。
5.敏感光栅越窄，基长越长的应变计，其横向效应引起的误差越 (大/小)。
6.差动变压器两个次级线圈采用连接，原副线圈间靠耦合，7.输出特性曲线呈型。
8.按用途分类光纤可分为:和9.相位检测方法:(1)(2)(3)10.光在光纤中传播的基本原理可以用或的概念来描述。
11.根据转换原理，电感式传感器分为和两种，按结构自感式又可分为、和等。
12.红外热辐射传感器，从原理上又可分为热电型和量子型。
13.应变传感器设计过程中，通常需要考虑温度补偿，温度补偿的方法14.热敏电阻有三种类型，即15.半导体湿度传感器响应时间分为和。
16.根据菲涅尔定律，光线在折射率分别为n1和n2的不同介质的分界面上会产生，折射定律为112 217.电容式传感器分为和三种。
18.电容传感器将被测非电量的变化转换为变化的传感器。
19.霍尔传感器的零位误差主要由不等位电动势和寄生直流电动势引起的。
20.直流电桥按桥臂工作方式不同可分为、和。
21.相位型光纤传感器通常使用相位检测的方法，该方法主要包括：等三种方法。
22.为了减小，采用差动变隙式电容传感器，其灵敏度相比单体。
23.若两个应变量变化相同的应变片接入测量电桥的相对桥臂，则电桥的输出将24.热电偶的热电势由和组成。
25.电阻丝绕制成敏感栅后，长度不变，则其灵敏系数比电阻丝的灵敏系数。
26.空气介质变隙式电容传感器中，提高灵敏度和减少非线性误差是矛盾的，为此实际中大都采用差动式电容传感器27.热电偶工作原理是基于效应，其热电势包括电势和电势。
28.某一铂电阻温度传感器，测量温度范围为0～100℃，测量温度为50.2℃，实际温度为50.0℃，绝对误差为0.2，引用相对误差为。