硅光电池特性研究

1、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 （ UOC） 、最大输出功率Pm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 s和相对光强度J / Jo之间关

2、系，画出I SC与相对光强J / Jo之间的 关系图。（2 ）测量开路电压Ux和相对光强度J / Jo之间的关系，画出 Ud与相对光强J / Jo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 Ph结原理、光电效应理论和光伏电池 的机理。Ph 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（

3、浓度小），因此空穴要从浓 度大的P区向浓度小的卜区扩散，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吉。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

4、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。 在一定条件下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。 达到平衡后，空间电荷区的 宽度基本上稳定下来，Pb结就处于相对稳定的状态。若在PN吉上加正向电压，即外电源的正极接PI区，负极接r区，也称为正向偏 置。此时外加电压在PN吉中产生的外电场和内电场方向相反， 内电场被削弱，多 数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流）， PN吉处于导通状态。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由 P区流向N区的电流）愈大。正向偏置时,PN

5、吉呈现的电阻很低，一般为几欧到几百欧儿E内电场+ + + + + + + + + +P空间电荷区N若在PN吉上加反向电压，即外电源的正极接N区,负极接P区，也称为反向偏 置。此时外加电压在PN吉中产生的外电场和内电场方向一致， 也破坏了扩散和漂 移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移动，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但 另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN吉呈现的反向电阻很高，可以认为PN吉基本上不 导电，处于截至状态。反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。 由于少数载流

6、子是由 于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的。环境温度愈高，少数 载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，PN 吉具 有单向导电性。在PN吉上加正向电压时，PN吉电阻很低，正向电流较大，PN吉处 于正向导通状态；加反向电压时，PN吉电阻很高，反向电流很小，PN吉处于截至 状态。图1是半导体PN吉在零偏、负偏、正偏下的耗尽区。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 Ph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

7、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 Ph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Ph结的单向导电性，电流方向是从P旨向21.2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

8、内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。光电二极管是典型的 光电效应探测器。当pr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。图21.3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，其基本结构如图2所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们

9、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(1)式（1）中I为流过二极管的总电流，1s为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻 耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压， i随諾旨数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向 饱和电流基本上是个常数当有光照时，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吉两端的电流可由式（2）确 疋：eVI = Is ekT -1 - I p（2）此式

10、表示硅光电池的伏安特性。式（2）中I为流过硅光电池的总电流，Is为 反向饱和电流，V为PN吉两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。 从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN吉的电流I=Ip ;当光电池处于负偏时流过PN吉的电流I=Ip-Is 。因此，当光电池用作光电转换器时，光电 池必须处于零偏或负偏状态。硅光电池负载特性的测定1.4硅光电池的负载特性光电池作为电池使用如下图所示。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

11、大而电压较小。 实验的值来测定硅光电池的负载特性。2实验内容2.1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性步骤（1）按图4连接电路。iLLxyHi-+池图4（2）在外加偏压时，改变负载电阻，测量对应的输出电流和输出电压，并 将数据填入表1（3）利用测得的正向偏压时I-U关系数据，画出I-U曲线如图5,并求出常数 和I。的值。nKT2.1.2数据记录及处理表1:正向偏压时I-U关系U (V)01.61.862.052.192.322.42.52.562.65I (PA)00.010.020.030.040.050.060.070.080.09U (V)2.692.742.82.852.892.9

12、22.9633.03I岸A)0.10.110.120.130.140.150.160.170.18由l/lo=e u-1知当U较大时，eu1,即lnI= B U+lnlo由最小二乘法，将表1中最后6点数据处理得：nKT =2.60V-1 , lo=6.28 X 10-6mA ,相关系数 r=0.9998图5图62.2在不加偏压时，用白色光照射，测量硅光电池一些特性。步骤（1）按图6连接电路。（2）不加偏压，在遮光条件下，调节白光源到太阳能的距离，在电池距离为20cm测量电池在不同负载电阻下，太阳能电池的输出电流 I对太阳能电池的 输出电压U的变化关系，画出曲线如图7,并求出相应的功率，将数据填

13、入表2, 画出输出功率与负载电阻的关系曲线图，如图 8（3）求出太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。（4）计算填充因子FF二Pmax. IscUoc2.2.2数据记录及处理表2:白光源到太阳能电池距离为 20cm时，不同负载电阻下，电流I对电压U 的变化关系，及相应的功率3.5光照下太阳能输出电流与电压的关系0.5U1.52.5图7图8电阻（K）电流1 （卩A）电压U (V)功率P030012.742.135.836221.883.767.068831.374.15.61741.044.174.336850.844.23.52860.74.222.95470.614.232.58

14、0380.534.242.247290.474.251.9975100.434.261.8318由图7中关系可求出：短路电流Isc =4.36 uA和开路电压Uoc = 3.10V由图8中关系可求出：最大输出功率Pma=7.08786Mw最大输出功率时负载电 阻 R=2.06KQ。填充因子：FF 二 Fax. IscUoc =0.4394FF是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数，FF值越大,说明太阳能电池对光的利用率越高2.3测量太阳能电池的光电效应与电光性质步骤按图6连接电路在暗箱中(用遮光罩挡光)，取离白光源 20CM水平距离光强作为标准光照强度，用光功率计测量该处的光照强度J。；，并填

15、入表3 改变太阳能电池到光源的距离，用光功率计测量该处的光照强度J , 测量太阳能电池接受到相对光强度 J /J。不同值时，相应的短路电流Isc和开路 电压Uoc的值，将数据填入表3,画出对应的I-U曲线，如图9列出ISC和与相对光强J / Jo之间的数据关系，见表4，并描绘它们之 间的关系曲线，如图10,求Isc和与相对光强J /J0之间的近似关系函数。列出Uoc和与相对光强J /Jo之间的数据关系，见表5，并描绘它们之 间的关系曲线，如图11,求Uc和与相对光强J /J0之间的近似关系函数。 2.3.2数据记录及处理表3:太阳能电池接受到相对光强度 J /J0不同值时，电压和电流的对应值1

16、0cm12cm14cm光强 J:7950 lx光强 J:4650 lx光强 J:2940 lx电流1 (卩A)电压U( V)电流1 (卩A)电压U(V)电流1 (卩A)电压U(V)0.6600.9701.4200.60.590.90.891.2481.340.561.120.831.461.12.190.5181.610.732.180.9862.80.482.050.6682.640.93.410.4622.240.6182.940.83.990.432.560.563.440.684.090.42.780.5183.780.594.130.382.990.53.890.524.150.36

17、3.220.454.020.474.170.353.490.414.050.424.1916cm18cm20cm光强 J:2040 lx光强 J:1400 lx光强 Jo:1145 lx电流1 （卩A）电压U( V)电流1 （卩A）电压U（V）电流1 （卩A）电压U（V）1.9602.480301.71.361.912.362.741.151.42.611.6293.331.883.761.183.551.344.031.374.11.024.061.044.141.044.170.834.150.844.180.844.20.74.190.74.210.74.220.64.20.614.23

18、0.614.230.534.220.534.250.534.240.474.230.484.250.474.250.434.240.434.260.434.2622cm24cm26cm光强 J:906 lx光强 J:725 lx光强 J:612 lx电流1 （卩A）电压U( V)电流1 （卩A）电压U（V）电流1 （卩A）电压U（V）3.7203.4603.4202.353.532.582.762.672.351.963.921.973.941.943.881.364.091.364.081.344.021.044.151.034.131.024.070.844.180.844.170.824

19、.11图 0.74.20.74.190.694.130.64.210.64.20.594.150.534.220.534.210.524.160.474.230.474.220.464.160.434.240.424.220.424.1628cm30cm光强 J:494 lx光强 J:424 lx电流1 （卩A）电压U( V)电流1 （卩A）电压U（V）3.2903.1802.682.142.661.951.913.821.883.751.323.961.33.911.014.0213.980.814.060.84.020.684.080.674.040.594.10.584.060.514.

20、10.574.070.464.110.464.080.414.120.414.09图 表4:太阳能电池接受到相对光强度 J /J。不同值时，相应的Isc的值:J/Jo6.944.062.571.781.2210.790.630.530.430.37Is47.227.617.412.18.246.75.304.223.552.82.4J/Jo短路电流Is与相对光强J/Jo关系图图10从图10中找出Isc与相对光强J/Jo的近似函数关系为lsc=A(J/Jo)，禾【J用最小二乘法拟合，得 lsc=6.814 (J/Jo ) -0.0905,相关系数 r=0.9996.表5:太阳能电池接受相对光强度 J /J。不同值时，相应的Uoc的值J/Jo6.944