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OC V 线路图 测量短路电流SC I 线路图
硅光电池特性测试实验报告 系别：电子信息工程系 班级：光电08305班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010年4月2日 指导老师：王凌波 2010.4.6
目录 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结
一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验 设计实验2：简易光照度计设计实验 三、实验仪器 1、硅光电池综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、光照度计 1台 4、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 6、三相电源线 1根 7、实验指导书 1本 8、20M 示波器 1台 四、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
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
硅光电池实验课堂指导及实验报告要求 提示：本材料始终实验室保存，并供所有实验同学使用。保持材料的整洁，不作标记、批注。本周内实验中心将开始提供实验指导册，其中包含本材料内容。请及时与中心联系，tel：66366787。 硅光电池测量实验室 编号： 硅光电池基本特性研究 光电池又称光伏电池。光电池的种类较多，如硒光电池，氧化亚铜光电池，硫化铊光电池，锗光电池，硅光电池，砷化镓光电池等。其中硅光电池具有较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便，因而得到广泛应用。本实验研究硅光．电池的基本特性。 硅光电池可以用作光信号探测器，在光电转换、自动控制和计算机输入和输出等现代化科学技术中发挥重要作用。另一方面硅光电池可将太阳能转换成电能，如果把许多硅光电池科学地串联或并联起来，可以建成太阳能发电站，为人类更有效地利用太阳能开辟新道路。 本实验要求通过对硅光电池基本特性的测量，了解和掌握其特性及有关的测量方法，进而对日益广泛使用的各种光
电器件有更深入的了解。 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，这样构成了硅光电池，如图一所示。负极增透膜N型PN结P型正极图一硅光电池的结构及符号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－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结上产生了电动势。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二所示。 1．在无光照时，光(生)电流Iph0，光电池可以简化为二极管。根据半导体理论，流经二 极管的电流Id与其两端电压的关系符合以下经验公式2 IdII0eV1 式中和I是常数。 0IdI+IphIphV-图二光电池简化等效电路图三光电池等效为二极管2．有光照时，Iph>0，光电池端电压与电流的关系为：IIdIphI0eV1Iph ，可以得到以下结论：①当外电路短路时，短路电流IscIph，光电流全部流向外电路。②当外
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FF 3.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，
234 实验五十二 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．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其工 作特性。 二、仪器设备 1．TKGD ―1型硅光电池特性实验仪； 2．信号发生器； 3．双踪示波器。 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 ﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。 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.LED 的工作原理 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λp 可由下式确定： 式(1)中h 为普朗克常数，c 为光速。在实际的半导体 材料中能级间隙E g 有一个宽度，因此发光二极管发出 光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25～ 40nm 左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极 管输出光功率P 与驱动电流I 的关系由下式决定： 式(2)中，η为发光效率，E p 是光子能量，e 是电荷常数。 输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN 结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。系统采用的发光二极管驱动（1） （2） g p E hc /=λe I E p p /η= 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 3. LED 发光二极管的正弦信号调制原理
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
1、学习掌握硅光电池的工作原理 2 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2 3、硅光电池光电特性测试实验 4 5、硅光电池负载特性测试实验 6 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪 器 、学习掌握硅光电池的基本特 性 1 、硅光电池综合实验仪 1 个 2、光通路组件 1 只 3、光照度计 1 台 4、 2#迭插头对（红色， 50cm) 10 根 四、 实验原理 1、硅光电池的基本结构 零偏 反偏 、硅光电池伏安特性测试实验 、硅光电池时间响应测试实验 5 、 2#迭插头对（黑色， 50cm) 10 根 6、 三相电源线 1 根 7、 实验指导书 1 本 8、 20M 示波器 1 台 正偏 实验系列四、硅光电池特性测试 实验 光通路组件 功能说明： 分光镜： 50%透过 50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试 方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。 一、实验目的 光调制控制输入端 图 2 硅光电池光通路组件 图 2-1. 半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下 、硅光电池开路电压测试实验
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。 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，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 1 确定 eV I I s (e kT 1) I p 式( 1)中 Is 为饱和电流， V 为 PN 结两端电压， 从式中可以看到，当光电池处于零偏时， V=0，流过 时(在本实验中取 V=-5V)，流过 PN 结的电流 I=Ip-Is 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 光功率 Pi 有以下关系： I p RP i 电压表如显示不( b 同) 的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。 (4) 伏安特性 在硅光电池输入光强度不变时， 测量当负载一定 的范围内变化时， 光电池的输出电压及 电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。 (5) 负载特性 ( 输出特性 ) 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 的值来测定硅光电池 的负载特性。 (5) 光谱特性 一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下， 光电池所产生短路电 流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm ，峰值波长为 800~900nm ，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm ，因此， 实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势 五、实验步骤 1、硅光电池短路电流特性测试 (1) T 为绝对温度， Ip PN 结的电流 I=Ip ； ，因此，当光电池用作光电转 换器时， 为产生的光电流。 当光电池处Ip 与输入 (2) 3、硅光电池的基本特 性 (1) (2) 短路电流 不同的光照的作用下， 开路电压 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。 (3) 不同的光照的作用下， 光照特性 光电池在不同 光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的， 硼扩散层 N 型硅片
实验一 直流激励时霍尔传感器位移特性实验 一、 实验目的： 了解霍尔式传感器原理与应用。 二、基本原理： 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于磁场和电流的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。具有这种效应的元件成为霍尔元件，根据霍尔效应，霍尔电势U H ＝K H IB ，当保持霍尔元件的控制电流恒定，而使霍尔元件在一个均匀梯度的磁场中沿水平方向移动，则输出的霍尔电动势为kx U H ，式中k —位移传感器的灵敏度。这样它就可以用来测量位移。霍尔电动势的极性表示了元件的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线性度就越好。 三、需用器件与单元： 霍尔传感器实验模板、霍尔传感器、±15V 直流电源、测微头、数显单元。 四、实验步骤： 1、将霍尔传感器安装在霍尔传感器实验模块上，将传感器引线插头插入实验模板的插座中，实验板的连接线按图9-1进行。1、3为电源±5V ， 2、4为输出。 2、开启电源，调节测微头使霍尔片大致在磁铁中间位置，再调节Rw1使数显表指示为零。 图9-1 直流激励时霍尔传感器位移实验接线图 3、测微头往轴向方向推进，每转动记下一个读数，直到读数近似不变，将读数填入表9-1。 表9－1 X （mm ） V(mv) 作出V-X 曲线，计算不同线性范围时的灵敏度和非线性误差。 五、实验注意事项： 1、对传感器要轻拿轻放，绝不可掉到地上。 2、不要将霍尔传感器的激励电压错接成±15V ，否则将可能烧毁霍尔元件。 六、思考题：
本实验中霍尔元件位移的线性度实际上反映的时什么量的变化 七、实验报告要求： 1、整理实验数据，根据所得得实验数据做出传感器的特性曲线。 2、归纳总结霍尔元件的误差主要有哪几种，各自的产生原因是什么，应怎样进行补偿。 实验二集成温度传感器的特性 一、实验目的： 了解常用的集成温度传感器基本原理、性能与应用。 二、基本原理： 集成温度传器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于－50℃－＋150℃之间测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极—发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管U b电压生产时的离散性、均采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型二种，电流输出型集成温度传感器，在一定温度下，它相当于一个恒流源。因此它具有不易受接触电阻、引
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。 【预习要求】 (1)通过预习，了解硅光电池的工作原理，大致了解实验内容。 (2)写预习报告，按要求在数据记录纸上画好待填表格。 【实验报告要求】 (1) 记录实验过程，包括实验步骤、各种实验现象和数据处理等。 (2)分析各实验结果并要得到结论。可就实验中涉及的、你感兴趣的1～2个问题作较深入讨论。 (3)实验曲线可用计算机绘制(推荐用Excel 软件)，也可手画。 ①用原始数据表5.7.1的数据，画出InI~v 曲线。如果是直线，计算β和O I (利用条件I>>O I )，写出在没有光照情况下光电池的端电压(正向偏压)与电流之间的经验公式，由此可以间接验证经验公式(5.7.1)。 ②利用数据表5.7.2的数据，作出Isc 与光通量?的关系曲线，设?与1/L2的比系数等于1，由曲线得到什么结论? ③根据表5.7.3，画出sc I α-曲线，它是什么曲线? ④根据表5.7.4、5.7.5，在一张图上分别画出光电池输出电压与负载电阻、输出电流与负载电阻的关系曲线，并由此在同一图上得到负载电阻与输出功率的关系；确定光电池的最大输出功率Pm 以及最大输出功率时的负载电阻Re(最佳匹配电阻)。 ⑤利用表5.7.6、5.7.7、5.7.8、5.7.9，在一张图上分别画出上下两片光电池的伏安特性以及它们串、并联后的伏安特性，从四条曲线能得到什么结论? ⑥根据表5.7.10，画出sc I λ-关系图，此图说明什么? 【思考题】 (1)光电流与短路电流有什么关系? (2)对实验中所用滤光片的透射曲线应有什么要求? (3)严格地说，本实验得到的光电池光谱特性并不能准确描述光电池对入射光中各频率分量的响应特性，或者说，这样得到的光谱特性，还包含了其他因素的影响，这些影响因素是什么? (4)通过实验，对光电池总体有什么认识? (5)硅光电池是一种半导体元件，人们在研究半导体元件的外特性时，通常要研究它们的温度
硅光电池特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负.载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、硅光电池封装组件 1套 4、光照度计 1台 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、20M 示波器 1台 四、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4-1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3，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，当有光照时，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。流过PN结两端的电流可由式1确定
硅光电池特性测试实验报 告 系别：电子信息工程系班级：光电08305 班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武实验时间：2010年4月2日指导老师：王凌波 目录
一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结
一、实验目的 1学习掌握硅光电池的工作原理 2、 学习掌握硅光电池的基本特性 3、 掌握硅光电池基本特性测试方法 4、 了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1硅光电池短路电路测试实验 2、 硅光电池开路电压测试实验 3、 硅光电池光电特性测试实验 4、 硅光电池伏安特性测试实验 5、 硅光电池负载特性测试实验 6、 硅光电池时间响应测试实验 7、 硅光电池光谱特性测试实验 设计实验1硅光电池光控开关电路设计实验 设计实验2:简易光照度计设计实验 三、实验仪器 1 硅光电池综合实验仪 1 个 2、 光通路组件 1 只 3、 光照度计 1 台 4、 2#迭插头对（红色， 50cm ) 10 根 5、 2#迭插头对（黑色， 50cm ) 10 根 6、 三相电源线 1 根 7、 实验指导书 1 本 8 20M 示波器 1 台 四、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。 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 零偏 反偏 正偏
长春理工大学 光电信息综合实验—实验总结 姓名：赵儒桐 学号：S1******* 指导教师：王彩霞 专业：信息与通信工程 学院：电子信息工程 2016年5月20号
实验一：光电基础知识实验 1、实验目的 通过实验使学生对光源，光源分光原理，光的不同波长等基本概念有具体认识。 2、实验原理 本实验我们分别用了普通光源和激光光源两种。普通光源光谱为连续光谱，激光光源是半导体激光器。在实验中我们利用分光三棱镜可以得到红橙黄绿青蓝紫等多种波长的光辐射。激光光源发射出来的是波长为630纳米的红色光。 3、实验分析 为了找到光谱需要调节棱镜，不同的面对准光源找出光谱，棱镜的不同面对准光源产生的光谱清晰度不同，想要清晰的光谱就需要通过调节棱镜获得。 实验二：光敏电阻实验 1、实验目的 了解光敏电阻的光照特性，光谱特性和伏安特性等基本特性。2、实验原理 在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键和状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照越强，器件自身的电阻越小。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强，波长和外加电压有关。 3、实验结果
当光敏电阻的工作电压（Vcc ）为+5V 时，通过实验我们看出来改变光照度的值，光源的电流值是发生变化的。光照度增加电流值也是增加的。测得实验数据如表2-1： 表2-1 光敏电阻光照特性实验数据 得到的光敏电阻光照特性实验曲线： 图2.1 光敏电阻光照特性实验曲线 表2-2 光敏电阻伏安特性实验数据
通过实验我们看出光敏电阻的光电流值随外加电压的增大而增大，在光照强度增大的情况下流过光敏电阻的电流值也是增大的，得到数据如表2-2。 得到的伏安特性如下： 图2.2 光敏电阻伏安特性曲线 由光敏电阻的光谱特性可知光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，测量对应各种颜色的光透过狭缝时的电流值，得到数据如下表： 得到的光谱特性曲线如图：
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m p 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，o I 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 sh ph sh s I R U I R R I --=+ )1(， （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，硅光电池可简化为图4所示电路。 图4 这里，)1(0--=-=U ph d ph e I I I I I β。 在短路时，U ＝0，sc ph I I =； 而在开路时，I ＝0，0)1(0=--oc U sc e I I β； ∴ ]1l n [1 += I I U sc OC β， （4） （4）式即为在∞=sh R 和0=s R 的情况下，硅光电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。可看出开路电压OC U 与
硅光电池特性测试实验 1 实验目的 通过测试太阳能电池的短路电流、开路电压，绘制I-V特性曲线并计算填充因子，理解太阳能电池的工作原理及基本特性。 2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。 2.1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 1
2 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。 2.2 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，其基本结构如上图所示，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 kT s I I e ??=- ??? （1）
实验一光敏电阻实验 一、实验目的： 了解光敏电阻的光照特性、光谱特性和伏安特性等基本特性。 二、基本原理： 在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起电 导率的变化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。 光照愈强，器件自身的电阻愈小。基于这种效应的光电器件称光敏电阻。光敏电 阻无极性，其工作特性与入射光光强、波长和外加电压有关。 三、需用器件与单元： 主机箱、安装架、普通光源、各种滤色镜、光电器件实验（一）模板、光 敏电阻探头、照度计模板、光照度探头。 四、实验步骤： 1、亮电阻和暗电阻测量 （1）图2-1是光敏电阻实验原理图 （2）按实验一第二部分图1-2光照度实验安装接 线。打开主机箱电源，顺时针方向慢慢调节0~12V 图2-1 光敏电阻实验原理可调电源，使主机箱光照度计显示100 l X（照度计 模板按钮×1状态）。 （3）撤下照度计模板及探头，换上光电器件实验 （一）模板和光敏电阻探头。按图2-2安装接线
（4）在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接后，10秒钟左右（可观察主机箱上的定时器）读取电流表（可选择电流表合适的档位20mA 档）的值为亮电流I 亮。 （5）将0~12V 可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后，10秒钟左右读 取电流表（20μA 档）的值为暗电流I 暗。 （6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻（照度100L X 、U 测5V ） R 亮=U 测 / I 亮 ； R 暗=U 测 / I 暗 （7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的测量电压（U 测）下有不同的亮阻和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。 2、光照特性测量 光敏电阻的测量电压（U 测）为+5V 时，光敏电阻的光电流随光照强度变化 而变化，它们之间的关系是非线性的。调节光源0~12V 电压得到不同的光照度(测量方法同以上实验)，测得数据填入表2—1，并作出光电流与光照度I-Lx 曲线图。 表2—1
实验九 硅光电池特性的研究 光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究． 【实验目的】 1．研究硅光电池的主要参数和基本特性； 2．利用硅光电池设计一项具体应用． 【实验原理】 1．硅光电池的照度特性 硅光电池是属于一种有PN 结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P 区和N 区集结，使PN 结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应． （1）硅光电池的短路电流与照度关系 当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ，此电流方向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为 ??????????????????=?=1n exp 0T k qV I I I I I B Ph D Ph （1） 式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，当光电池被短路（负载电阻为零），V = 0，由（1）式可得到短路电流 Ph SC I I = （2） 硅光电池短路电流与照度特性见图1． （2）硅光电池的开路电压与照度关系 当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压 ????????+=1ln 0I I q T nk V SC B OC （3） - 47 -
实验4.3硅光电池的光照特性 太阳能是一种清洁能源、绿色能源,世界各国都十分重视对太阳能的利用。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,是应用极其广泛的一种光电传感器。 [ 僂??] 1.了解硅光电池的基本特性; 2.测绘硅光电池的光照特性曲线; 3.学习用电流补偿法测定硅光电池的短路电流及负载电流。 [ 僂 ?] 半导体受到光的照射而产生电动势的现象,称为光生伏特效应。硅光电池是根据光生伏特效应的原理做成的半导体光电转换器件。 硅光电池的结构如图4.3.1所示。在一块N型硅片上用扩散方法掺入一很薄的P 型层,形成PN结,在P型层引出正极引线,在N型层引出负极引线即成。其形状有圆盘形、长方形等。 图4.3.1硅光电池结构示意图 当光照射到P型层的外表面时,光可透过P区进入N区,照射到PN结。当光子的能量大于硅的禁带宽度时,光子能量便被硅晶格所吸收,价带电子受激跃迁到导带,形成自由电子,而价带则形成自由空穴,使得PN结两边产生电子-空穴对,如图4.3.2所示。凡是扩散到PN结部分形成的内电场的电子-空穴对,都要受到内电场E的作用,电子被 41 1
推向N区,空穴被推向P区,从而产生P为正N为负的电动势。若接入一负载,只要有光不断照射,电路中就有持续电流通过,从而实现了光电转换。 图4.3.2光生伏特示意图 光电池在一定光照下,负载无限大(开路)时,其极间电压称为开路电压,开路电压U oc的大小与光照强度L的对数呈线性关系,如图4.3.3(a)(b)所示。负载电阻为零(即短路)时,光电池的输出电流称为短路电流。短路电流I sc的大小与光照强度L呈线性关系,如图4.3.3(c)所示。 光电池的输出端接一负载电阻时,有对应的端电压、负载电流和输出功率。负载电阻R为最佳匹配电阻时,输出功率P最大,能量转换效率最高,如图4.3.3(d)所示。这是在一些实际应用中必须考虑的问题。 图4.3.3硅光电池光照特性曲线 用点光源照射光电池时,光照强度L与光电池受光面到光源距离的平方r2成反比。 41 2
.. . . 理工大学 光电信息综合实验—实验总结 姓名：儒桐 学号：S1******* 指导教师：王彩霞 专业：信息与通信工程 学院：电子信息工程 2016年5月20号
实验一：光电基础知识实验 1、实验目的 通过实验使学生对光源，光源分光原理，光的不同波长等基本概念有具体认识。 2、实验原理 本实验我们分别用了普通光源和激光光源两种。普通光源光谱为连续光谱，激光光源是半导体激光器。在实验中我们利用分光三棱镜可以得到红橙黄绿青蓝紫等多种波长的光辐射。激光光源发射出来的是波长为630纳米的红色光。 3、实验分析 为了找到光谱需要调节棱镜，不同的面对准光源找出光谱，棱镜的不同面对准光源产生的光谱清晰度不同，想要清晰的光谱就需要通过调节棱镜获得。 实验二：光敏电阻实验 1、实验目的 了解光敏电阻的光照特性，光谱特性和伏安特性等基本特性。 2、实验原理 在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键和状态过渡到自由状态，引起电导率的变化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照越强，器件自身的电阻越小。光敏电阻无极性，其工作特性与入射光光强，波长和外加电压有关。 3、实验结果
当光敏电阻的工作电压（Vcc）为+5V时，通过实验我们看出来改变光照度的值，光源的电流值是发生变化的。光照度增加电流值也是增加的。测得实验数据如表2-1： 光敏电阻光照特性实验数据 光照度 （Lx） 20 40 60 80 100 120 140 160 180 电流mA 0.37 0.52 0.68 0.78 0.88 1.00 1.07 1.18 1.24 得到的光敏电阻光照特性实验曲线： 图2.1 光敏电阻光照特性实验曲线 光敏电阻伏安特性实验数据 型号：G5528 电压 （U） 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 照度 （Lx） 50 电流 （mA） 0 0.05 0.11 0.17 0.24 0.29 0.35 0.42 0.48 0.54 0.6 100 电流 （mA） 0 0.09 0.19 0.28 0.38 0.48 0.58 0.67 0.77 0.87 0.95 150 电流 （mA） 0 0.12 0.24 0.37 0.49 0.62 0.74 0.87 0.98 1.12 1.19