硅光电池(硅光二极管)应用讲诉共38页文档
硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理硅光电池，又称为太阳能电池，是将太阳能直接转化为电能的装置。
它是集光电转换、能量存储和能量输出为一体的高效能再生能源。
硅光电池内部结构复杂，但其工作原理可以概括为以下几个关键步骤：1.光吸收：硅光电池的基本工作原理是利用半导体材料硅的带隙结构，将光能转化为电能。
硅光电池的上表面通常涂覆有反射层，用于提高光的利用率，然后光线穿透到硅的P-N结，被吸收在较薄的吸收层内。
2.光生电子-空穴对的产生：在吸收层内，光能被以太阳光的光子形式吸收，导致硅原子中的电子从价带跃迁到导带，形成电子-空穴对。
这些电子和空穴是光能的载流子，它们的产生是光电转换的起点。
3.电荷分离：在P-N结的电场作用下，电子会向N区移动，而空穴会向P区移动，使得电子和空穴分离。
P区的电子移动到N区会形成N区的确缺电荷，而P区的空穴移动到N区会形成N区的反失电荷，这使得P-N结两侧形成了电压差。
4.电荷收集：在硅光电池内，P区和N区的导电性不同，P区为阳极，N区为阴极，当光生电子和空穴分离后，它们会被P区和N区的金属电极收集。
这样，金属电极就能够形成电流，电流从阳极流出，经过外部负载，最终返回阴极。
这就实现了光能转化为电能的过程。
5.电能输出：经过外部电路的连接，光生电子和空穴分离后形成的电流可以被使用或存储。
外部系统将光电能转化为电能来驱动设备工作。
总的来说，硅光电池的工作原理可以归纳为以下四个步骤：光吸收、光生电子-空穴对的产生、电荷分离和电荷收集，最终将太阳能转化成可用的电能。
硅光电池具有可靠耐用、成本低廉、没有运行成本等优势，因此是目前最常用的太阳能电池类型。
随着科技的不断进步和研发，硅光电池的效率和性能有望不断提高，为可持续发展和应对能源危机做出更大的贡献。
硅光电池
工作原理——光生伏特效应
硅光电池实际上就是一个 大面积的PN结。 当阳光照射时，光子使硅 原子中的电子变成自由电 子，而在电子原来的位置 形成空穴。在PN结存在的 电场的作用下，运动到PN 结附近的电子被拉向N区， 空穴被拉向P区，于是在N 区和P区形成了电子和空穴 的积累，使N区和P区两端 产生电动势。
2.2.2 硅光电池
光电1302班 03号 黄丽萍
硅光电池
一种将光能直接转换成电 能的的半导体器件，以硅 半导体材料制成。
优点：性能优良、工作稳 定、体积小，不需要工作 电压，在稳定光照下是 “安静”的。
结构
硅光电池的基体材料为一 薄片P型单晶硅，其厚度在 0.44mm以栅状电极下，在 它的表面上利用热扩散法 生成一层N型受光层，基体 和受光层的交接处形成PN 结。在N型受光层上制作有 栅状负电极，另外在受光 面上还均匀覆盖有抗反射 膜，它是一层很薄的天蓝 色一氧化硅膜，可以使电 池对有效人射光的吸收率 达到90%以上，并使硅光电 池的短路电流增加25%-30%。
技术参数
按照我国半导体器件型号命名的规定，P/N电池的型号为 2CR，N/P电池的型号为2DR。 • 开路电压Uoc：当硅光电池外电路断开时，测得的端电压为 开路电压。它随着光照强度的增加而增加，光照比较小时， 变化率较大，当光照达到一定强度后，变化率较小。 • 短路电流Isc：当硅光电池外电路 短接时，测得的电流为短路电流。 它随光强呈线性变化。
技术参数
•转换效率η （％） •面积或直径：开路电压与面积大小无关，短路电流则 与电池面积成正比
硅光电池内阻
• 硅光电池内阻Rsh=Uoc/Isc
由图可知，Rsh随光照强度增 大而减小。
硅光电池的负载特性
BPW34硅光电池说明
BPW 34Silizium-PIN-Fotodiode; in SMT und als Reverse GullwingSilicon PIN Photodiode; in SMT and as Reverse Gullwing BPW 34S BPW 34S (E9087)2003-02-041BPW 34, BPW 34S, BPW 34S (E9087)Wesentliche Merkmale•Speziell geeignet für Anwendungen im Bereich von 400 nm bis 1100 nm •Kurze Schaltzeit (typ. 20 ns)•DIL-Plastikbauform mit hoher Packungsdichte •BPW 34 S/(E9087): geeignet für Vapor-Phase Löten und IR-Reflow Löten (JEDEC level 4)Anwendungen•Lichtschranken für Gleich- und Wechsellichtbetrieb •IR-Fernsteuerungen •Industrieelektronik•…Messen/Steuern/Regeln“Typ Type Bestellnummer Ordering Code BPW 34Q62702-P73BPW 34S Q62702-P1602BPW 34S (E9087)Q62702-P1790Features•Especially suitable for applications from 400nm to 1100 nm•Short switching time (typ. 20 ns)•DIL plastic package with high packing density •BPW 34 S/(E9087): suitable for vapor-phase and IR-reflow soldering (JEDEC level 4)Applications •Photointerrupters •IR remote controls •Industrial electronics•For control and drive circuitsGrenzwerte Maximum RatingsBezeichnung Parameter SymbolSymbolWertValueEinheitUnit BPW34SBPW34S (E9087)BPW34Betriebs- und Lagertemperatur Operating and storage temperature range Top; T stg– 40…+ 100– 40…+ 85°CSperrspannung Reverse voltage VR32VVerlustleistung, T A = 25 °C Total power dissipation Ptot150mWKennwerte (T A = 25 °C, Normlicht A, T = 2856 K) Characteristics (T A = 25 °C, standard light A, T = 2856 K)Bezeichnung Parameter SymbolSymbolWertValueEinheitUnitFotoempfindlichkeit, V R = 5 VSpectral sensitivityS80 (≥ 50)nA/IxWellenlänge der max. FotoempfindlichkeitWavelength of max. sensitivityλS max2003-02-04850nmSpektraler Bereich der FotoempfindlichkeitS = 10% von SmaxSpectral range of sensitivityS = 10% of Smaxλ400…1100nmBestrahlungsempfindliche FlächeRadiant sensitive areaA7.00mm2Abmessung der bestrahlungsempfindlichen FlächeDimensions of radiant sensitive area L×BL×W2.65×2.65mm×mmHalbwinkel Half angle ϕ±60Graddeg.Dunkelstrom, V R = 10 V Dark current IR2 (≤ 30)nASpektrale Fotoempfindlichkeit, λ = 850 nmSpectral sensitivitySλ0.62A/WQuantenausbeute, λ = 850 nm Quantum yield η0.90ElectronsPhoton2003-02-0422003-02-043Leerlaufspannung, E v = 1000 Ix Open-circuit voltageV O 365 (≥ 300)mV Kurzschlu ßstrom, E v = 1000 Ix Short-circuit currentI SC 80µA Anstiegs- und Abfallzeit des Fotostromes Rise and fall time of the photocurrentR L = 50 Ω; V R = 5 V; λ = 850 nm; I p = 800 µA t r , t f20nsDurchla ßspannung, I F = 100 mA, E = 0 Forward voltageV F 1.3V Kapazit ät, V R = 0 V, f = 1 MHz, E = 0 CapacitanceC 072pF Temperaturkoeffizient von V O Temperature coefficient of V O TC V – 2.6mV/K Temperaturkoeffizient von I SC Temperature coefficient of I SCTC I 0.18%/K Rausch äquivalente Strahlungsleistung Noise equivalent power V R = 10 V, λ = 850 nmNEP4.1×10– 14Nachweisgrenze, V R = 10 V, λ = 850 nm Detection limitD*6.6×1012Kennwerte (T A = 25 °C, Normlicht A, T = 2856 K)Characteristics (T A = 25 °C, standard light A, T = 2856 K) (cont ’d)Bezeichnung ParameterSymbol SymbolWert Value Einheit Unit W Hz -----------cm Hz ×W--------------------------2003-02-044Relative Spectral SensitivityIDirectional Characteristics SPhotocurrent I P = f (E v ), V R = 5 V CapacitanceTotal Power Dissipation IMaßzeichnungPackage OutlinesMaße werden wie folgt angegeben: mm (inch) / Dimensions are specified as follows: mm (inch). 2003-02-045Maße werden wie folgt angegeben: mm (inch) / Dimensions are specified as follows: mm (inch).Published by OSRAM Opto Semiconductors GmbH & Co. OHGWernerwerkstrasse 2, D-93049 Regensburg© All Rights Reserved.Attention please!The information describes the type of component and shall not be considered as assured characteristics.Terms of delivery and rights to change design reserved. Due to technical requirements components may contain dangerous substances. For information on the types in question please contact our Sales Organization.PackingPlease use the recycling operators known to you. We can also help you – get in touch with your nearest sales office. By agreement we will take packing material back, if it is sorted. You must bear the costs of transport. For packing material that is returned to us unsorted or which we are not obliged to accept, we shall have to invoice you for any costs incurred.Components used in life-support devices or systems must be expressly authorized for such purpose! Critical components 1 , may only be used in life-support devices or systems 2 with the express written approval of OSRAM OS.1 A critical component is a component usedin a life-support device or system whose failure can reasonably be expected to cause the failure of that life-support device or system, or to affect its safety or effectiveness of that device or system.2 Life support devices or systems are intended (a) to be implanted in the human body, or (b) to support and/or maintainand sustain human life. If they fail, it is reasonable to assume that the health of the user may be endangered.2003-02-046。
硅光电池特性研究201103.ppt
每台实验仪的插线是配套的，实验完毕后 将插线理好放到仪器箱内。
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硅光电池的应用
✓ 验证马吕斯定律 ✓ 测定溶液的透射率 ✓ 光通讯实验证马吕斯定律、测
定溶液的透射率等。
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[实验仪器] TKGD—1型硅光电池特性实验仪
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[PN结的形成及单向导电性]
空间电荷区 耗尽区
无可动载流子 势垒
高阻抗 宽度约为：几 微米~几十微米
零偏
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正偏
反偏 导通
LED发光机理
[LED工作原理]
当PN结加正向电压时，孔 穴与电子在复合时将产生 特定波长的光，发光的波 长与半导体材料的能级间 隙Eg有关，λp=hc/Eg。
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硅光电池的伏安特性
当PN结处于零偏或反偏时，两端加上负载后，在持续的光照下， 就会有一光生电流从硅光电池P端经过负载流入N端。
eV
I I s e KT 1 I p
I Ip
I Ip Is
K=1.3806505×10^-23 J/K
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Is：本身带有负号
[实验内容和步骤] 1.光电流Ip与输入光功率Pi关系测定
发光二极管输出光功率与 驱动电流的关系，
率，P=Eηp为Ep光I/e子，能η为量发。光效 5
硅光电池的工作原理
光电转换器件主要是利用光电效应（当物质在一定 频率的照射下，释放出光电子的现象）： a. 光电子发射或者外光电子效应 b. 内光电子效应 c.光生伏特效应
光电二极管是典型的光电效应探测器。
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1 10
IS
10i=1
I零偏I反偏
2.光电池的负载特性测定
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[数据记录及处理]
硅光电池特性研究_2
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
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。
硅光电池原理
硅光电池原理硅光电池是利用半导体材料的光电转换原理制成的太阳能电池，其主要成分是纯度高达99.999%的硅晶体。
硅晶体在受到光照下会产生能量传导的效应，从而转换为电流输出。
硅光电池的结构由p型和n型硅组成的p-n结构的太阳能电池。
p型硅和n型硅的本征半导体浓度不同，故在两种材料接触的地方形成一个pn结。
在这个结点区域中，p区的材料富余正离子，n区的材料富余负离子。
当硅光电池受到光照后，光子的能量会使得硅中的电子受激发而离开原来的位置，从而产生了电子空穴对。
在p-n结区域，受光子激发的电子在电场力的作用下会向n型硅离开p-n结，空穴反之。
这样，p-n结上面的电子和空穴的流动形成了一个电池的正负极，产生了电流和电压输出。
这种构成的太阳能电池是硅太阳能电池。
硅光电池中的输出功率密度是指在单位面积上输出电能的能量。
这个值可以通过将硅光电池的输出电压和输出电流相乘来获得。
硅光电池的输出功率密度与光电转换效率和太阳能电池的面积有关。
提高硅光电池的输出功率密度需要提高其光电转换效率或扩大太阳能电池的面积。
硅光电池是利用半导体材料的光电转换原理制成的太阳能电池。
硅光电池的机理是通过在p-n结区域中产生电子-空穴对，使得硅太阳能电池可以产生电流和电压输出。
硅光电池的光电转换效率和输出功率密度是两个关键性能指标，这些指标取决于许多因素，包括光照强度，温度和制造工艺等。
硅光电池是当前最为广泛应用的太阳能电池，其广泛应用是因为硅材料的独特性能。
硅材料的晶体结构为直接半导体，具有很好的光谱响应特性，同时还具有优良的电特性和化学稳定性。
与其他太阳能电池相比，硅光电池有许多优势，包括成本低廉、长期稳定性好、可靠性高以及容易大规模生产等。
硅光电池是目前最主要的太阳能电池之一，已经在许多国家和地区被广泛应用于太阳能发电场、太阳能家电和太阳能充电器等领域。
硅光电池的性能因素主要包括硅材料的质量、太阳辐射、温度、制造工艺和光谱响应等因素。
硅光电池实验报告
硅光电池实验报告硅光电池实验报告引言：近年来，随着能源危机的日益严重和环境污染问题的日益突出，绿色能源的研究和应用逐渐成为全球关注的焦点。
硅光电池作为一种新型的太阳能电池，具有高效、环保等优点，受到了广泛的关注和研究。
本实验旨在探究硅光电池的工作原理以及其在太阳能转换中的应用。
实验目的：1. 了解硅光电池的工作原理；2. 掌握硅光电池的制备方法；3. 分析硅光电池的性能参数。
实验原理：硅光电池是一种利用硅材料的半导体特性将太阳光能转化为电能的装置。
其工作原理基于光生电压和光生电流效应。
当光照射到硅光电池上时，光子能量被硅材料吸收，使硅中的电子被激发，从而产生电流。
硅光电池通过将这种光生电流引导出来，经过电路的控制和调节，最终将太阳能转化为电能。
实验步骤：1. 实验前准备：准备所需的硅光电池样品、光源、电源等设备；2. 制备硅光电池：将硅光电池样品固定在透明的基座上，确保光线能够正常照射到样品表面；3. 连接电路：将硅光电池与电源、电流表和电压表连接起来，确保电路的正常工作；4. 测量性能参数：通过改变电压和电流的值，记录硅光电池的电流-电压特性曲线，并计算出其最大功率点。
实验结果与分析：通过实验测量，获得了硅光电池的电流-电压特性曲线。
根据曲线，我们可以得到硅光电池的最大功率点。
在实验中，我们发现最大功率点通常出现在硅光电池的额定工作电压附近。
这意味着在实际应用中，我们应该将硅光电池的工作电压调整到最大功率点，以获得最高的能量转换效率。
此外，我们还计算了硅光电池的效率。
效率是指硅光电池将太阳能转化为电能的比例。
通过实验数据的分析，我们可以得到硅光电池的效率约为15%。
这意味着硅光电池能够将太阳能的15%转化为电能，虽然这个转化效率相对较低，但仍然具有一定的应用前景。
讨论与展望：硅光电池作为一种新型的太阳能电池，具有广阔的应用前景。
然而，目前硅光电池的效率仍然较低，制造成本也较高，限制了其在实际应用中的推广。