硅光電池實(shí)驗(yàn)課堂指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

PAGEPAGE7提示：本材料始終由實(shí)驗(yàn)室保存，并供所有實(shí)驗(yàn)同學(xué)使用。保持材料的整潔，不作標(biāo)記、批注。本周內(nèi)實(shí)驗(yàn)中心將開(kāi)始提供實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)冊(cè)，其中包含本材料內(nèi)容。請(qǐng)及時(shí)與中心聯(lián)系，tel：66366787。硅光電池測(cè)量實(shí)驗(yàn)室2006.9.25編號(hào)：硅光電池基本特性研究光電池又稱光伏電池。光電池的種類較多，如硒光電池，氧化亞銅光電池，硫化鉈光電池，鍺光電池，硅光電池，砷化鎵光電池等。其中硅光電池具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、使用方便，因而得到廣泛應(yīng)用。本實(shí)驗(yàn)研究硅光電池的基本特性。硅光電池可以用作光信號(hào)探測(cè)器（光電傳感器），在光電轉(zhuǎn)換、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)輸入和輸出等現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)中發(fā)揮重要作用。另一方面硅光電池可將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，如果把許多硅光電池科學(xué)地串聯(lián)或并聯(lián)起來(lái)，可以建成太陽(yáng)能發(fā)電站，為人類更有效地利用太陽(yáng)能開(kāi)辟新道路。本實(shí)驗(yàn)要求通過(guò)對(duì)硅光電池基本特性的測(cè)量，了解和掌握其特性及有關(guān)的測(cè)量方法，進(jìn)而對(duì)日益廣泛使用的各種光電器件有更深入的了解。實(shí)驗(yàn)原理在P型硅片上擴(kuò)散一層極薄的N型層，形成PN結(jié)，再在該硅片的上下兩面各制一個(gè)電極（其中光照面的電極成“梳狀”，并在整個(gè)光照面鍍上增透膜，利于光的入射。），這樣構(gòu)成了硅光電池，如圖一所示。當(dāng)光照射在硅光電池的光照面上時(shí)，若入射光子能量大于硅的能隙時(shí)，光子能量將被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子－空穴對(duì)。它們?cè)谶\(yùn)動(dòng)中一部分重新復(fù)合，其余部分在到達(dá)PN結(jié)附近時(shí)受PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用，空穴向P區(qū)遷移，使P區(qū)顯示正電性，電子向N區(qū)遷移，使N區(qū)帶負(fù)電，因此在PN結(jié)上產(chǎn)生了電動(dòng)勢(shì)。如果在硅光電池兩端連接電阻，回路內(nèi)就形成電流，這是硅光電池發(fā)生光電轉(zhuǎn)換的原理。硅光電池(以下簡(jiǎn)稱光電池)的簡(jiǎn)化等效電路如圖二所示。1．在無(wú)光照時(shí)，光(生)電流，光電池可以簡(jiǎn)化為二極管（圖三）。根據(jù)半導(dǎo)體理論，流經(jīng)二極管的電流與其兩端電壓的關(guān)系符合以下經(jīng)驗(yàn)公式（1）式中和是常數(shù)。2．有光照時(shí)，>0，光電池端電壓與電流的關(guān)系為：（2）由（2），可以得到以下結(jié)論：①當(dāng)外電路短路時(shí)，短路電流，光電流全部流向外電路。②當(dāng)外電路開(kāi)路時(shí)，開(kāi)路電壓，即，開(kāi)路電壓與短路電流滿足對(duì)數(shù)關(guān)系；如果與光通量（或照度）有線性關(guān)系，則與光通量就符合對(duì)數(shù)關(guān)系。由于二極管的分流作用，負(fù)載電阻愈大，光電池的輸出電流愈小，實(shí)驗(yàn)可以證明這時(shí)輸出電壓卻愈大，因此要從光電池獲取最大功率，負(fù)載電阻要取恰當(dāng)值。實(shí)驗(yàn)器材光具座及附件,附件包括：光源、光電池組件、一對(duì)偏振器、5個(gè)濾光片和支架、透光盒及支架。其中光電池組件的電路連接如圖四所示。電源及電阻網(wǎng)絡(luò)（裝于機(jī)箱內(nèi)），當(dāng)電源開(kāi)關(guān)撥向“電源”時(shí)，綠指示燈亮，圖五示出電源及電阻網(wǎng)絡(luò)的等效電路；當(dāng)電源開(kāi)關(guān)撥向“光源”時(shí)，黃指示燈亮，圖六示出此時(shí)的等效電路。數(shù)字電流表、電壓表。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容數(shù)字電壓表用直流2v檔，電流表用直流200mA檔（實(shí)驗(yàn)室已設(shè)定）。測(cè)量光效應(yīng)時(shí)注意調(diào)節(jié)光電組件的高度，使被測(cè)光電池均勻受光。在無(wú)光照條件下，測(cè)量光電池正向偏壓時(shí)的伏安特性即I~V關(guān)系（自擬原始數(shù)據(jù)表1并填之）。圖七為實(shí)驗(yàn)線路圖，通過(guò)改變電阻Rn改變加于光電池的電壓，Rn值隨下標(biāo)n的增大而增加。將開(kāi)關(guān)撥向“電源”，將光電池組件裝上光具座，并用鏡頭蓋遮住光電池的入光面；面板接線如圖八所示。測(cè)量光電池的光照特性測(cè)量短路電流與光電池上的光通量的變化關(guān)系。在光電池的線性響應(yīng)范圍內(nèi)，光電流與入射光通量成正比，這是光電池作為光電檢測(cè)元件被廣泛應(yīng)用的重要原因。實(shí)驗(yàn)方法一：理論指出，對(duì)于點(diǎn)光源，通過(guò)一定的不算大的面積上的光通量與該面積到點(diǎn)光源的距離平方成反比，即。圖九為實(shí)驗(yàn)線路圖。將開(kāi)關(guān)撥向“光源”，在光具座上調(diào)節(jié)光電池組件的高度，使上（或下）光電池被均勻照亮；沿光具座移動(dòng)光電組件，改變它到光源的距離L，同時(shí)測(cè)量（填數(shù)據(jù)表2，見(jiàn)下）；面板接線如圖十所示。表2L/cm30323436384042444648501/L2(×10-4)119.88.77.76.96.35.75.24.74.34.0Isc/mA實(shí)驗(yàn)方法二：根據(jù)馬呂斯（Malus）定律，透過(guò)兩個(gè)交叉偏振片的光強(qiáng)與其交角α的余弦平方成正比，因此如果改變?chǔ)?，測(cè)出對(duì)應(yīng)的短路電流，只要Isc～α曲線大致為余弦平方曲線，硅光電池存在線性相應(yīng)區(qū)可以得到證明。將一對(duì)偏振片置于光源和光電組件之間，并盡量靠近光電組件，測(cè)量Isc～α的關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表3并填之，圖略。測(cè)量光電池的負(fù)載特性調(diào)節(jié)光源到光電組件的距離約30cm，為作圖方便Rn可選擇R7~R15。測(cè)量光照情況下，光電池輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系（填表4）。圖十一和圖十二是線路圖及面板接線圖。表4RnR7R8R9R10R11R12R13R14R15Ω15182233627591100300V/v測(cè)量輸出電流與負(fù)載電阻的關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表5并填之，Rn的選擇同（1）。圖十三和圖十四是線路圖及面板接線圖。4．測(cè)量光電池串、并聯(lián)時(shí)的伏安特性調(diào)節(jié)光電組件的高度，使兩片光電池同時(shí)被均勻照亮；調(diào)節(jié)光源與光電組件的距離大約30cm。分別測(cè)量?jī)蓧K光電池的伏安特性，即I~V關(guān)系，自擬數(shù)據(jù)表6、7并填之。圖十五、十六是線路圖及面板接線圖。測(cè)量串聯(lián)伏安特性，自擬數(shù)據(jù)表8并填之，圖十七、十八是線路圖及面板接線圖。測(cè)量并聯(lián)伏安特性，自擬數(shù)據(jù)表9并填之，圖十九是面板接線圖。測(cè)量光電池的光譜響應(yīng)將5種濾色片先后裝于濾色片支架上，放在光源與光電組件之間，并盡量靠近光電組件；在同一位置處，測(cè)量各個(gè)短路電流，填表10。表10λ/nm577546436405365Isc/mA6．驗(yàn)證比爾（Beer）定律（光電池在光電檢測(cè)中的一個(gè)應(yīng)用）對(duì)于低濃度的液體，其濃度與光的透射率即入射到光電池光通量符合比爾定律：，因此濃度與光電流滿足：，其中c為液體濃度，d為厚度，k、為常數(shù)。改變液體濃度，測(cè)量，填表11。表11c(%)0.0050.010.050.10.51Isc/mA預(yù)習(xí)要求：通過(guò)預(yù)習(xí)，了解硅光電池的工作原理，大致了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。注意實(shí)驗(yàn)方法的學(xué)習(xí)。寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告（實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙上的前面部分）；在數(shù)據(jù)記錄紙上畫(huà)好待填表格并填上名稱、各被測(cè)物理量（符號(hào)）。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，包括實(shí)驗(yàn)步驟，各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)處理等。分析各實(shí)驗(yàn)結(jié)果并要得到結(jié)論；可就實(shí)驗(yàn)中涉及的、你感興趣的1～2個(gè)問(wèn)題作較多討論。實(shí)驗(yàn)曲線最好用計(jì)算機(jī)繪制（推薦用Excel軟件），若無(wú)條件也可手畫(huà)。用原始數(shù)據(jù)表1的數(shù)據(jù)，畫(huà)出lnI～V曲線；如果是直線，計(jì)算和（利用條件），寫(xiě)出在沒(méi)有光照情況下光電池的端電壓（正向偏壓）與電流之間的經(jīng)驗(yàn)公式，由此可以間接驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式（1）。利用數(shù)據(jù)表2數(shù)據(jù)，作出與光通量φ的關(guān)系曲線，設(shè)φ與1/L2的比例系數(shù)等于1，由曲線得到什么結(jié)論？根據(jù)表3，畫(huà)出～α圖線，它是什么曲線？由此你看出什么？根據(jù)表4、5，在一張圖上分別畫(huà)出光電池輸出電壓與負(fù)載電阻、輸出電流與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線，并由此在同一圖上得到負(fù)載電阻與輸出功率的關(guān)系；確定光電池的最大輸出功率Pm以及最大輸出功率時(shí)的負(fù)載電阻Re(最佳匹配電阻)。利用表6、7、8、9，在一張圖上分別畫(huà)出上下兩片光電池的伏安特性以及它們串、并聯(lián)后的伏安特性，從四條圖線你能得到什么結(jié)論？根據(jù)表10，畫(huà)出～λ關(guān)系，此圖告訴你什么？根據(jù)表11，畫(huà)出～c關(guān)系，如何驗(yàn)證Beer定律？思考題光電流與短路電流有什么關(guān)系？對(duì)實(shí)驗(yàn)中所用濾光片的透射曲線應(yīng)有什么要求？嚴(yán)格說(shuō)，本實(shí)驗(yàn)得到的光電池光譜特性并不能準(zhǔn)確描述光電池對(duì)入射光中各