硅光電池特性的研究

1、硅光電池特性的研究光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件， 它不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能。 光電池的種 類很多，常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵、氧化銅等。其中應(yīng)用最廣的是硅光電池。硅光電池 是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件， 它的用途主要有兩個方面： 一是作為光輻射探 測器件，在氣象、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等部門探測太陽光的輻射，或在工程技術(shù)、科學(xué)研究等領(lǐng)域， 用于各種光電自動控制和測量裝置； 二是作為太陽能電源裝置， 可為某些儀器、 儀表和設(shè)備 提供輕便的電源， 特別是為人造地球衛(wèi)星提供無可替代的節(jié)能電源。 硅光電池有一系列的優(yōu) 點：性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性響應(yīng)好，耐高溫輻射，使用壽命長

2、；硅 光電池的光譜靈敏度與人眼的靈敏度較為接近， 很多分析儀器和測量儀器常用到它。 人類生 活的衣、食、住、行都離不開能源，開發(fā)新能源的光伏技術(shù)已成為國際上熱門課題。本實驗 對硅光電池的基本特性和簡單應(yīng)用作了初步的探討， 這對于了解和使用日益廣泛的各種光電 器件，具有十分重要的意義。【 實驗?zāi)康?】掌握 PN 結(jié)形成原理及其工作機理。了解 LED 發(fā)光二極管的驅(qū)動電流和輸出光功率的關(guān)系。掌握硅光電池的工作原理及其工作特性?！?實驗原理 】 硅光電池是半導(dǎo)體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和特性， 可以進一步領(lǐng)會半導(dǎo)體 PN 結(jié)原理、光電效應(yīng)理論和光伏電池產(chǎn)生機理。1 PN

3、結(jié)的形成及單向?qū)щ娦匀绻捎媚撤N工藝，使一塊硅片的一邊成為 P型半導(dǎo)體，另一邊為N型半導(dǎo)體，由于P 區(qū)有大量空穴（濃度大） ，而 N 區(qū)的空穴極少（濃度?。?，因此空穴要從濃度大的 P 區(qū)向濃 度小的 N 區(qū)擴散，并與 N 區(qū)的電子復(fù)合，在交界面附近的空穴擴散到 N 區(qū)，在交界面附近 一側(cè)的P區(qū)留下一些帶負(fù)電的三價雜質(zhì)離子，形成負(fù)空間電荷區(qū)。 同樣，N區(qū)的自由電子也要向 P 區(qū)擴散，并與 P 區(qū)的空穴復(fù)合，在交界面附近一側(cè)的 N 區(qū)留下一些帶正電的五價雜 質(zhì)離子，形成正空間電荷區(qū)。這些離子是不能移動的，因而在P 型半導(dǎo)體和 N 型半導(dǎo)體交界面兩側(cè)形成一層很薄的空間電荷區(qū)，也稱為耗盡層，這個空間

4、電荷區(qū)就是PN 結(jié)。正負(fù)空間電荷在交界面兩側(cè)形成一個電場，稱為內(nèi)電場，其方向從帶正電的N 區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)，如圖5.8-1所示。空間電荷區(qū)的內(nèi)電場一個方面對多數(shù)載流子的擴散運動起 阻擋作用，另一方面對少數(shù)載流子 （P 區(qū)的自由電子和 N 區(qū)的空穴） 起推動作用， 使它們越 過空間電荷區(qū)進入對方區(qū)域。 少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下的定向運動稱為漂移運動。 在一定 條件下， 載流子的擴散運動和漂移運動達到動態(tài)平衡。 達到平衡后， 空間電荷區(qū)的寬度基本 上穩(wěn)定下來， PN 結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。若在 PN 結(jié)上加正向電壓，即外電源的正極接 P 區(qū)，負(fù)極接 N 區(qū)，也稱為正向偏置。 此時外加電壓在 P

5、N 結(jié)中產(chǎn)生的外電場和內(nèi)電場方向相反，內(nèi)電場被削弱， 多數(shù)載流子的擴 散運動增強，形成較大的擴散電流（正向電流） ，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。在一定范圍內(nèi)，外電 場愈強，正向電流（由 P區(qū)流向N區(qū)的電流）愈大。正向偏置時，PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，一般為幾歐到幾百歐。若在 PN 結(jié)上加反向電壓，即外電源的正極接 N 區(qū)，負(fù)極接 P 區(qū)，也稱為反向偏置。 此時外加電壓在PN結(jié)中產(chǎn)生的外電場和內(nèi)電場方向一致，也破壞了擴散和漂移運動的平衡。外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移動，使得空間電荷增強，空間電荷區(qū)變寬， 內(nèi)電場增強， 使多數(shù)載流子的擴散運動很難進行。 但另一方面， 內(nèi)電場的增強也加強了少數(shù) 載

6、流子的漂移運動。由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流不大，即PN 結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高， 可以認(rèn)為 PN 結(jié)基本上不導(dǎo)電， 處于截至狀態(tài)。 反向電阻一般為幾千歐到十幾兆歐。 由于少數(shù)載流子是由于價電子獲得熱能 （熱激發(fā)） 掙脫共價鍵的束縛而產(chǎn)生的。 環(huán)境溫度愈 高，少數(shù)載流子的數(shù)量愈多，所以溫度對反向電流的影響較大。由以上分析可知， PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?。?PN 結(jié)上加正向電壓時， PN 結(jié)電阻很低，正向電流較大，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)；加反向電壓時，PN結(jié)電阻很高，反向電流很小，PN結(jié)處于截至狀態(tài)。圖5.8-1是半導(dǎo)體PN 結(jié)在零偏、反偏、正偏下 的耗盡區(qū)，當(dāng)P型和N型 半導(dǎo)體材料結(jié)合時

7、，由于 P型材料空穴多電子少， 而N型材料電子多空穴 少，結(jié)果P型材料中的空 穴向N型材料這邊擴散， N型材料中的電子向 P型 N型區(qū)帶正電荷，形成一一p型耗盡區(qū)N型P型耗盡區(qū)N型P型耗盡區(qū)N型零偏反偏正偏圖5.8-1半導(dǎo)體PN結(jié)在零偏、反偏、正偏下的耗盡區(qū)材料這邊擴散，擴散的結(jié)果使得結(jié)合區(qū)兩側(cè)的 P型區(qū)出現(xiàn)負(fù)電荷,個勢壘，由此而產(chǎn)生的內(nèi)電場將阻止擴散運動的繼續(xù)進行，當(dāng)兩者達到平衡時，在PN結(jié)兩側(cè)形成一個耗盡區(qū)，耗盡區(qū)的特點是無自由載流子，呈現(xiàn)高阻抗。當(dāng)PN結(jié)反偏時，外加電場與內(nèi)電場方向一致，耗盡區(qū)在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當(dāng)PN結(jié)正偏時，外加電場與內(nèi)電場方向相反，耗盡區(qū)在外加電場作用下

8、變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續(xù)形成電流，此即為 PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕娏鞣较蚴菑?P指向N。硅光電池是屬于一種有PN結(jié)的單結(jié)光電池當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，由光子所產(chǎn)生的電子與空穴將分別向P區(qū)和N區(qū)集結(jié)，使PN結(jié)兩端產(chǎn)生光生電動勢.這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng).21P型區(qū) 耗盡區(qū)N型區(qū)2硅光電池的工作原理 硅光電池是一個大面積的光電二極管，它 被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電 能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣 泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。光電池的基本結(jié)構(gòu)如圖 5.8-2 ,當(dāng)半導(dǎo)體PN 結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū) 存在一個內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把 處于介帶

9、中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的 電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時就有一光 圖5.8-2光電池結(jié)構(gòu)示意圖生電流流過負(fù)載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式(5.8-1)確定： (5.8-1) 式(5.8-1)中Is為飽和電流，V為PN結(jié)兩端電壓，T為絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當(dāng)光電池處于零偏時，V = 0,流過PN結(jié)的電流I=I p ;當(dāng)光電池處于反偏時(在本實驗中取 V = 5V ),流過PN結(jié)的電流1=1 p-Is，因此，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn) 換器時，光電池必須處于零偏或反偏狀態(tài)。光電池處于零偏或反偏狀態(tài)時，產(chǎn)生的光電流Ip與輸出光功率Pi

10、之間有以下關(guān)系：3 I(5.8-2)式(5.8-2)中R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長，在長波長處要求入射光子的能量大于材料的能級間隙Eg,以保證處于介帶中的束縛電子得到足夠的能量被激發(fā)到導(dǎo)帶，對于硅光電池其 長波截止波長為 入e1.1 (im ,在短波長處也由于材料有較大吸收系數(shù)使R值很小。數(shù)顯器圖5.8-3是光電信號接收端的工作原理 框圖，光電池把接收到的光信號轉(zhuǎn)變成與之 成正比的電流信號，再經(jīng)電流電壓轉(zhuǎn)換器把 光電流信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號。 比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測硅光電池I/V變定光電池的飽和

11、電流Is。當(dāng)發(fā)送的光信號換器被正弦信號調(diào)制時，則光電池輸出電壓信號示波器圖 5.8-3中將包含正弦信號，據(jù)此可通過示波器測定光電池的頻率響應(yīng)特性。3. LED(light-emitting diode)的工作原理當(dāng)某些半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)加正向電壓時，空穴與電子在PN結(jié)復(fù)合時將產(chǎn)生特定波長的光，發(fā)光的波長與半導(dǎo)體材料的能級間隙Eg有關(guān)。發(fā)光波長 入P可由下式確定：(5.8-3)式(5.8-3)中匕為普朗克常數(shù)，坯光速。在實際的半導(dǎo)體材料中能級間隙 E g有一個寬度， 因此發(fā)光二極管發(fā)出光的波長不是單一的，其發(fā)光波長半寬度一般在2540nm左右，隨半導(dǎo)體材料的不同而有差別。發(fā)光二極管輸出光功率

12、P與驅(qū)動電流I的關(guān)系由下式?jīng)Q定：因I(5.8-4)式(5.8-4)中，匚為發(fā)光功率，Ep為光子能量，匚為電荷常數(shù)。輸出光功率與驅(qū)動電流呈線性關(guān)系，當(dāng)電流較大時由于 PN結(jié)不能及時散熱，輸出光功率可能會趨向飽和。本實驗用一個驅(qū)動電流可調(diào)的紅色超高亮度發(fā)光二極管作為實驗用光 源。系統(tǒng)采用的發(fā)光二極管驅(qū)動和調(diào)制電路如圖5.8-4所示。信號調(diào)制采用光強度調(diào)制的方法，發(fā)送光強度調(diào)節(jié)器用來調(diào)節(jié)流過LED的靜態(tài)驅(qū)動電流，從而改變發(fā)光二極管的發(fā)射光功率。本實驗靜態(tài)驅(qū)動電流調(diào)節(jié)范圍為020毫安，對應(yīng)面板上的發(fā)送光強度顯示值為02000單位。正弦調(diào)制信號經(jīng)電容、電阻網(wǎng)絡(luò)及運放跟隨隔離后耦合到放大環(huán)節(jié)，與發(fā)光二 極

13、管靜態(tài)驅(qū)動電流疊加后使發(fā)光二極管發(fā)送隨正弦波調(diào)制信號變化的光信號，如圖5.8-5所VCC信號發(fā)生器SLED放大與調(diào)制調(diào)制后信號時間圖5.8-5 調(diào)制后的光信號圖5.8-4發(fā)送光的設(shè)定、驅(qū)動和調(diào)制電路框圖示，變化的光信號可用于測定光電池的頻率響應(yīng)特性。4光電池的負(fù)載特性所示。在內(nèi)電場作用下，入射光子由于內(nèi)光電效應(yīng)把處于介帶中的束縛電子激發(fā) 到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生光伏電壓，在光電池兩端加一個負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很小時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改 變負(fù)載電阻R-的值來測定光電池的伏安特性?！緦嶒瀮x器】TKGD-1型硅光電池特性實驗儀，信號發(fā)生器，雙蹤示波器?！緦嶒?/p>

14、內(nèi)容】硅光電池特性實驗儀框圖如圖5.8-7所示。超高亮度LED在可調(diào)電流和調(diào)制信號驅(qū)動下發(fā)出的光照射到光電池表面，功能轉(zhuǎn)換開關(guān)可分別打到零偏、負(fù)偏或負(fù)載。1.硅光電池零偏和反偏時光電流與輸入光信號關(guān)系特性測定(515 mA )打開儀器電源，調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流，其調(diào)節(jié)范圍為020mA (相應(yīng)于發(fā)光強度指示02000)，將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)分別打到零偏和負(fù)偏，將硅光電池輸出端連接到I / V轉(zhuǎn)換模塊的輸入端，將I/V轉(zhuǎn)換模塊的輸出端連接到數(shù)字電壓表頭的輸入端，分別測定光 電池在零偏和反偏時光電流與輸入光信號關(guān)系。記錄數(shù)據(jù)并在同一張方格紙上作圖，比較光電池在零偏和反偏時兩條曲線關(guān)系，求出光電池的飽和電流2硅光電池輸出接恒定負(fù)載時產(chǎn)出的光伏電壓與輸入光信號關(guān)系測定（1K,10K ）將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)打到“負(fù)載”處，將硅光電池輸出端連接恒定負(fù)載電阻（如取10K ）和數(shù)字電壓表，從020mA （指示為02000）調(diào)節(jié)發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流，實驗測定光電池輸出電壓隨輸入光強度的關(guān)系曲線。3 硅光電池伏安特性測定（ 5 mA ， 15 mA）在硅光電池輸入光強度不變時（取發(fā)光二極管靜態(tài)驅(qū)動電流為15mA），測定當(dāng)負(fù)載從0100kQ的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓隨負(fù)載電