光電08305何江武-硅光電池實驗報告

硅光電池實驗報告光電08305何江武一、實驗目的1、學習掌握硅光電池的工作原理2、學習掌握硅光電池的基本特性3、掌握硅光電池基本特性測試方法二、實驗內(nèi)容1、硅光電池短路電路測試實驗2、硅光電池開路電壓測試實驗3、硅光電池伏安特性測試實驗4、硅光電池光譜特性測試實驗三、實驗儀器1、硅光電池綜合實驗儀1個2、光通路組件1只3、光照度計1臺4、2#迭插頭對（紅色，50cm）10根5、2#迭插頭對（黑色，50cm10根6、三相電源線1根7、實驗指導書1本8、20M示波器1臺四、實驗原理1、硅光電池的基本結(jié)構(gòu)目前半導體光電探測器在數(shù)碼攝像﹑光通信﹑太陽電池等領(lǐng)域得到廣泛應用，硅光電池是半導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具體使用特性可以進一步領(lǐng)會半導體PN結(jié)原理﹑光電效應理論和光伏電池產(chǎn)生機理。零偏反偏零偏反偏正偏圖2-1.半導體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)圖2-1是半導體PN結(jié)在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區(qū)，當P型和N型半導體材料結(jié)合時，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)負電荷，N型區(qū)帶正電荷，形成一個勢壘，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)在外電場作用下變窄，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?電流方向是從P指向N。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2-2，當半導體PN結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別飄移到N型區(qū)和P型區(qū)，當在PN結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過PN結(jié)兩端的電流可由式1確定圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖式（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，當光電池處于零偏時，V=0，流過PN結(jié)的電流I=Ip；當光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過PN結(jié)的電流I=Ip-Is，因此，當光電池用作光電轉(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與輸入光功率Pi圖2-2.光電池結(jié)構(gòu)示意圖3、硅光電池的基本特性(1)短路電流圖2-3硅光電池短路電流測試如圖2-3所示，不同的光照的作用下，毫安表如顯示不同的電流值。即為硅光電池的短路電流特性。(2)開路電壓圖2-4硅光電池開路電壓測試如圖2-4所示，不同的光照的作用下，電壓表如顯示不同的電壓值。即為硅光電池的開路電壓特性。(3)伏安特性如圖2-6，在硅光電池輸入光強度不變時，測量當負載一定的范圍內(nèi)變化時，光電池的輸出電壓及電流隨負載電阻變化關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性。圖2-6硅光電池的伏安特性測試(4)光譜特性一般光電池的光譜響應特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生短路電流與入射光波長之間的關(guān)系。一般用相對響應表示，實驗中硅光電池的響應范圍為400~1100nm，峰值波長為800~900nm，由于實驗儀器所提供的波長范圍為400~650nm，因此，實驗所測出的光譜響應曲線呈上升趨勢，如圖2-9所示硅光電池頻率特性曲線。圖2-9硅光電池的光譜曲線五、實驗步驟1、硅光電池短路電流特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-11所示。圖2-11硅光電池短路電流特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-11所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電流表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）0100200300400500600光生電流（uA）41.217.334.251.168.285.4102.6（6）上表中所測得的電流值即為硅光電池相應光照度下的短路電流。（7）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。2、硅光電池開路電壓特性測試實驗裝置原理框圖如圖2-12所示。圖2-12硅光電池開路電壓特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）按圖2-12所示的電路連接電路圖（5）打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，使照度值依次為下表中的光照度值，分別讀出電壓表讀數(shù)，填入下表，關(guān)閉電源。光照度（Lx）01020304050100200300400500600光生電壓（v）-0.37-0.28-0.30-0.31-0.32-0.33-0.35-0.37-0.38-0.39-0.40-0.41（4）將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)到最小值位置后關(guān)閉電源。（5）上表中所測得的電壓值即為硅光電池相應光照度下的開路電壓。（6）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線。3、硅光電池光照特性（1）根據(jù)實驗1和2所調(diào)試的實驗數(shù)據(jù)，作出如圖2-5所示的硅光電池的光照電流電壓特性曲線。（2）改變不同光照度的取值，重復實驗1和實驗2，并作出相應硅光電池的光照電流電壓特性曲線。4、硅光電池伏安特性實驗裝置原理框圖如圖2-13所示。圖2-13硅光電池伏安特性測試（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光照度調(diào)節(jié)”調(diào)到最小，連接好光照度計，直流電源調(diào)至最小，打開照度計，此時照度計的讀數(shù)應為0。（3）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)”，將撥位開關(guān)S1撥上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均撥下。（4）電壓表檔位調(diào)節(jié)至2V檔，電流表檔位調(diào)至200uA檔，將“光照度調(diào)節(jié)”旋鈕逆時針調(diào)節(jié)至最小值位置。（5）按圖2-13所示的電路連接電路圖，R取值為200歐，打開電源順時針調(diào)節(jié)照度調(diào)節(jié)旋鈕，增大光照度值至500lx。記錄下此時的電壓表和電流表的讀數(shù)填入下表；電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流96.491.256.742.133.317.97.296.491.256.7電壓114275344357363374380114275344（6）關(guān)閉電源，將R分別換為下表中的電阻值，重復上述步驟，分別記錄電流表和電壓表的讀數(shù)，填入下表。（7）改變光照度為100Lx、300Lx，重復上述步驟，將實驗結(jié)果填入下表。100lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流212120.920.820.514.66.31.72121電壓25631271772243053313402563300lx：電阻2002K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K電流60.859.750.238.931.417.16.91.860.859.7電壓6918030533134235836536769180（8）根據(jù)上述實驗數(shù)據(jù)，在同一坐標軸中作出三種不同條件下的伏安特性曲線，并進行分析。（9）實驗完畢，關(guān)閉電源，拆除所有連線5、硅光電池光譜特性測試當不同波長的入射光照到光電二極管上，光電二極管就有不同的靈敏度圖2-14基準探測器的光譜響應曲線（1）組裝好光通路組件，將照度計顯示表頭與光通路組件照度計探頭輸出正負極對應相連（紅為正極，黑為負極），將光源調(diào)制單元J4與光通路組件光源接口使用彩排數(shù)據(jù)線相連。（2）“光源驅(qū)動單元”的三擲開關(guān)BM2撥到“靜態(tài)特性”，將撥位開關(guān)S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均撥下。（3）將直流電源2正負極直接與電壓表相連，打開電源，調(diào)節(jié)電源電位器至電壓表為10V，關(guān)閉電源。（4）按如圖2-12連接電路圖.（5）打開電源，緩慢調(diào)節(jié)光照度調(diào)節(jié)電位器到最大，依次將S2，S3，S4，S5，S6，S7撥上后撥下，記下照度計讀數(shù)最小時照度計的讀數(shù)E作為參考。（注意：請不要同時將兩個撥位開關(guān)撥上）（6）S2撥上，緩慢調(diào)節(jié)電位器直到照度計顯示為E，將電壓表測試所得的數(shù)據(jù)填入下表，再將S2撥下；（7）重復操作步驟（6），分別測試出橙，黃，綠，藍，紫在光照度E下電壓表的讀數(shù)，填入表中，并描繪出光譜特性圖如下：入下表。波長（nm）