硅光电池特性的研究

硅光电池特性的研究

一、实验目的

1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。 二、仪器设备

MD-GD-3型硅光电池特性实验仪； 三、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﹑光伏电池产生机理。

图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 。

2．硅光电池的工作原理

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于 把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电 探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等 的能源。

光电池的基本结构如图2，当半导体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，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

零偏 反偏 正偏

图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

图 2.光电池结构示意

硅光零偏

图 3.光电池光电信号接

的关系式为：

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：

式中I s 为饱和电流，V 为PN 结两端电压，T 为绝对温度，I p 为产生的光电流。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=I p ；当光电池处于反偏时（在本实验中取V =-5V ），流过PN 结的电流I =I p -I s ，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流I p 与输入光功率P i 有以下关系：

式(3)中R 为响应率，R 值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R 值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙E g ，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λc =1.1μm ，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R 值很小。

图3是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经电流电压转换器把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流I s 。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。

3．光电池的负载特性

光电池作为电池使用如图4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。实验时可改变负载电阻 ＲＬ的值来测定光电池的伏安特性。 四、实验内容与步骤

1、测量硅光电池正向偏压的I-U 特性。 图5

硅光电池在没有光照的条件下，其特性可视为一个二极管。本实验是在硅光电池特性实验仪上

(3)

i p RP I

=图4.光电池伏安特性的测定

）

（2 )1(p kT

eV s I e I I +-=）

（1 )1(-=kT

eV s e

I

I

完成的。

a 、按图5连接电路，在全暗的情况下，改变电源电压，用数字表分别测出硅光电池和1000Ω电阻两端的电压降Ｕ1和Ｕ2， 实验表格见表1。

表1：测量硅光电池正向偏压的I-U 特性

b 、由表一中数据画出I-U 1曲线。通过S I U kT

e

I ln ln 1+=做图或用最小二乘法求出常数

kT e 和 I S 。

2、测量硅光电池的输出特性

当太阳电池接上负载R L 时如图4所示，在一定的光照下，负载R L 在0～∞之间变化时，每对应一个R L ，就有一组确定的 I 、V 与之对应，这些 I 与V 关系的曲线称为光电池的伏安特性曲线。

a 、将暗盒内的高亮度发光二极管LED 、数字电流表插入板面相应插口，调整相对光强旋钮使相对光强为Us 1为15 mV ，调节硅光电池正负极两条引线的电阻，由小到大改变电阻箱阻值，用数字电表测出硅光电池正负极间的路端电压U 0，再通过测量固定电阻两端的电压计算出通过电阻上的电流I （例如，固定电阻阻值为50Ω，则50

R

U I =），由功率公式P=U 0I 计算出硅光电池的输出功率。实验表格见表2。

调整相对光强旋钮使相对光强为Us 1为25 mV ，重复上述实验过程，继续填写完成表2。

表2：测量硅光电池的输出特性

b、画出I-U0关系图线，如图6所示。

由硅光电池的伏安特性曲线在I轴和V轴上的截距求出短路

电流I SC和开路电压U OC。并描绘出P-R关系曲线，如图6中的虚线，

求出硅光电池的最大输出功率P max及等效电阻Rm 并计算出填充

因子FF=P max∕／（I SC·U OC)。图6

3、测量硅光电池的光照效应与光电性质。

U0 U0c

Isc