光伏效应实验报告

1、篇一：半导体光伏效应实验实验4半导体光伏效应实验本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握 测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。一、实验目的1、初步了解太阳能电池机理2、测量太阳能电池开路电动势、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(如图1)，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。利用它制成的元器件称之为太阳能电池。光伏效应最重大的应用是可以将 阳光直

2、接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流il是光生电流ip和在光生电压vp作用下产 生的p-n结正向电流if之差，即il?ip?if。根据p-n结的电流和电压关系qvpif=is (ekt-1)is为反向饱和电流，式中vp是光生电压，所以输出电流qvpil=ip - is(ekt-1) (1)此即光电流表达式。通常ipis，上式括号内的1可忽略。对于太阳能电池有外加偏压时，(1)式应改为qv图1光伏效应结构示意图il=il+i=il+is(ekt-1) (2)qv上式中is(ekt-1)，就是p-n结在外加偏压v作用下的电流。图2中的

3、(a)(b)两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的i-v特性， 由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴 与纵轴的截距分别给出了 voc和isc。图2太阳能电池的伏安特性实验表明：在v=0情况下，当太阳能电池外接负载电阻rl，其 输出电压和电流均随rl变化而变化。只有当rl取某一定值时输出功率才能达到最大值pm, 即所谓最佳匹配阻值rl?rlb，而rlb则取决于太阳能电池的内阻ri=vocvocisc。因和isc均随光照强度的增强而增大，所不同的是voc与光强的对数成正比，isc和ri都是太 阳能电池的重要参数，最大输出功率pm和voc与isc乘

4、积之比ff=pmvocisc与光强（在弱光下）成正比，所以ri亦随光强度变化而变化。如图3所示。voc、isc（3）ff是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子。ff越大，太阳能电池的转换效率就 越高。ff最大值约为0.75 0.85。太阳能电池的等效电路（如图4），在一定负载电阻rl范围内可以近似地视为一个电流源ips 与内阻ri并联，和一个很小的电极电阻rs串联的组合。图3开路电动势、短路电流与光强关系曲线图4太阳能电池等效电路四、实验方法1、光强调节与强度的表示本实验所用光源为led（发光二极管），根据led的输出功率与驱动电流呈线性关系，利用改 变led的静态工作电流确定光强的相对

5、值。仪器设定led的工作电流调节范围为0-20ma， 对应显示器上的数值为0-2000。也可用“归一”法表示光强，即设jm为最大光强，j为改 变后的光强，则j/jm为无量纲的相对光强。2、标尺的设定为了调节光源与光电池的间距和试样表面光照的均匀度，设置了水平及垂直方向可调的标尺。 选择三色发光管中任一颜色光源，接通led驱动电源，调节id指示为1000左右，功能切换 开关置voc档。将水平标尺调到10mm左右；再调垂直标尺，使开路电压voc达到最大值，并 保持该状态直至该颜色光源的所有实验完毕为止。由于三色led的发光中心不在同一点，所 以对不同颜色光源，都应按照上述方法重新调试垂直标尺。3、

6、led驱动电流源粗调和细调旋钮的使用id的调节通过粗调和细调旋钮来实现。细调旋钮只在id输出较高时起作用，如id显示为1900 时，最后一位“0”可能会跳动，这时可通过调节细调旋钮使其稳定。五、实验内容1、测量开路电动势voc与光强id的关系测量线路如图5所示。将功能切换开关打到voc档，然后将面板上voc（毫伏表）正、负输入 端与pv装置的太阳能电池正、负输出端对应连接。按实验所需光源颜色，接通led驱动电源。 并调节标尺找到实验最佳工作状态。调节id= 0 （即将粗调和细调旋钮旋至最小），此时由于pv装置不完全密封（如导线的入口 处），可能有光线漏进装置中，使得voc显示不为0。调节id测

7、量不同光强下，太阳能电池的开路电动势voc。将数据记入表1,并绘制vocid 曲线，说明其关系。图5测量开路电压voc线路图表12、短路电流isc的测量测量线路图如图6所示。将功能切换开关打到isc档（注：在开启“dc 0-1v电源”前请先确 认i0旋钮旋转到最小处，以防在瞬间接通时us处于较大值，损坏太阳能电池）；调节dc 0-1v 电源us输出，使微安表读数i0为10.00-18.00?a （建议取10.00?a）。在某一光强id下，改变可调电阻r，使流过检流计（g）的电流ig为零。此时ab两点之间 和ac两点之间的电压应相等，即vab=vac。因而ir=i0r0,即短路电流 isc=i=

8、i0r0r（r0为微安计内阻，为10k?）图6测量短路电流isc线路图测量不同红光光强下，短路电流isc与光强id的关系，将数据记入表2,并绘制iscid曲 线，说明其关系。表23、按下式求出太阳能电池的内阻ri，并绘制riid曲线（自拟表格），说明其关系。ri?vocisc4、流过负载电流il与负载两端电压vl关系测量选择红光光源进行实验。测量线路如图7所示。r*为实验仪上标示的il取样电阻，为10 kw ； rl为功能切换开关打 到il档。太阳能电池在恒定光照下（取id约为1000），测量在不同负载电阻rl时流过的电流il与输 出电压vl=il?rl?r?,将数据记入表3，并绘制ilvl曲

9、线。*图7负载特性测量线路图图8光电流与负载电阻两端电压关系曲线计算不同负载电阻下输出功率P，即p=vlil，并绘出prl曲线，说明其关系，确定pm时 的rlb及填充因子ff?pmvocisc 表3篇二：光电效应测普朗克常量实验报告三、实验原理1.光电效应当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电 效应。所产生的电子，称为光电子。光电效应是光的经典电磁理论所不能解释的。当金属中 的电子吸收一个频率为v的光子时，便获得这光子的全部能量hv，如果这能量大于电子摆脱 金属表面的约束所需要的脱出功w，电子就会从金属中逸出。按照能量守恒原理有：（1）上式称为爱因斯坦

10、方程，其中m和?m是光电子的质量和最大速度，是光电子逸出表面 后所具有的最大动能。它说明光子能量hv小于w时，电子不能逸出金属表面，因而没有光电 效应产生；产生光电效应的入射光最低频率v0=w/h，称为光电效应的极限频率（又称红限）。 不同的金属材料有不同的脱出功，因而。0也是不同的。由（1）式可见，入射到金属表面的 光频率越高，逸出的电子动能必然也越大，所以即使阴极不加电压也会有光电子落入阳极而 形成光电流，甚至阳极电位比阴极电位低时也会有光电子落到阳极，直至阳极电位低于某一 数值时，所有光电子都不能到达阳极，光电流才为零。这个相对于阴极为负值的阳极电位 被称为光电效应的截止电压。显然，有代

11、入（1）式，即有（3）由上式可知，若光电子能量，则不能产生光电子。产生光电效应的最低频率是（2），通常称为光电效应的截止频率。不同材料有不同的逸出功，因而也不同。由于光的强弱决 定于光量子的数量，所以光电流与入射光的强度成正比。又因为一个电子只能吸收一个光子 的能量，所以光电子获得的能量与光强无关，只与光子v的频率成正比，将（3）式改写为（4）上式表明，截止电压是入射光频率v的线性函数，如图2，当入射光的频率时，截止电压，没有光电子逸出。图中的直线的斜率是一个正的常数：（5）由此可见，只要用实验方法作出不同频率下的通过式（5）求出普朗克常数h。其中 曲线，并求出此曲线的斜率，就可以是电子的电量

12、。图2 u0-v直线光电效应的伏安特性曲线图3是利用光电管进行光电效应实验的原理图。频率为v、强度为p的光线照射到光电管阴 极上，即有光电子从阴极逸出。如在阴极k和阳极a之间加正向电压，它使k、a之间建立起 的电场对从光电管阴极逸出的光电子起加速作用，随着电压的增加，到达阳极的光电子将逐 渐增多。当正向电压增加到时，光电流达到最大，不再增加，此时即称为饱和状态，对应的 光电流即称为饱和光电流。图3光电效应原理图由于光电子从阴极表面逸出时具有一定的初速度，所以当两极间电位差为零时，仍有光电流 i存在，若在两极间施加一反向电压，光电流随之减少；当反向电压达到截止电压时，光电 流为零。图4入射光频率

13、不同的iu曲线图5入射光强度不同的iu曲线爱因斯坦方程 是在同种金属做阴极和阳极，且阳极很小的理想状态下导出的。实际上做阴极的金属逸出功 比作阳极的金属逸出功小，所以实验中存在着如下问题：（1）暗电流和本底电流。当光电管阴极没有受到光线照射时也会产生电子流，称为暗电流。 它是由电子的热运动和光电管管壳漏电等原因造成的。室内各种漫反射光射入光电管造成的 光电流称为本底电流。暗电流和本底电流随着k、a之间电压大小变化而变化。（2）阳极电流。制作光电管阴极时，阳极上也会被溅射有阴极材料，所以光入射到阳极上 或由阴极反射到阳极上，阳极上也有光电子发射，就形成阳极电流。由于它们的存在，使得 iu曲线较理

14、论曲线下移，如图6所示。图6伏安特性曲线五、数据记录与处理1、零电流法测h第一组：普朗克常数：6.65Xjs误差0.30%第二组：普朗克常数：6.64X第三组：普朗克常数：6.64X2、补偿法测h 普朗克常数：6.68Xj - s 误差 0.88%j s误差0.26% j s误差0.21%3、伏安特性曲线 见下页。六、思考讨论1、什么是光电效应，及内，外光电效应和单光子，多光子光电效应。当一定频率的光照射到某些金属表面上时，可以使电子从金属表面逸出，这种现象称为光电 效应。所产生的电子，称为光电子。常说的光电效应是外光电效应，即电子从金属表面逸出。内光电效应是光电效应的一种，主 要由于光量子作

15、用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特 效应。光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对， 使其自生电导增大。光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀半导体（如pn结），在自建 场的作用下，半导体内部产生光电压。篇三：关于各种物理效应实验专题的报告关于各种物理效应实验专题的报告【摘要】：本文主要对各种物理效应实验专题（液晶电光效应、太阳能电池伏安特性的测量、 光电效应）作简要的原理介绍，同时对实验结果进行了阐述和分析，并且由实验结果分析得 到相关实验结论。最后分析了各实验的应用前景。【关键词】：液晶电光效应、太阳能电池伏安特性的测量、光

16、电效应abstract : this report mainly introduces the principles briefly of the effect of various physical experiment dissertations （liquid crystal electro-optic effect, measurement of solar battery volt-ampere characteristic, the photoelectric effect）. at the same time, the result of these three experime

17、nts are expounded and analyzed in this report. relevant experimental conclusions from the analysis of experimental results are also analyzed. finally this report introduces the application prospects of these experiments.【实验背景】：1、液晶电光效应：1886年，奥地利的植物学家reinitzer在做有机物的溶解试验时在一 定温度范围内观察到液晶.1961年，美国rca公司的h

18、eimeier发现了液晶的一系列电光 效应，并制成了显示器件.2、太阳能电池伏安特性的测量：太阳能电池也称光伏电池，是将太阳光辐射能直接转换 成电能的器件.由这种器件封装成太阳能电池组件，再按需要将1块一块以上的组件组合 成一定功率的太阳能电池方阵,也称光伏发电系统。3、光电效应：光电效应现象是1887年赫兹在验证电磁波存在时发现的，但运用光的经 典电磁波理论无法对光电效应的实验规律做出圆满的解释.1905年，爱因斯坦根据普朗 克的能量子假设提出了光电子理论，成功解释了光电效应的规律。【实验原理概述】：1、液晶电光效应：液晶是介于液体与晶体之间的一种物质状态。液晶分子是含有极性基团的 极性分子

19、，在电场作用下，偶极子会按电场方向取向，导致分子原有的排列方式发生变化， 从而液晶的光学性质也随之发生改变，这种因外电场引起的液晶光学性质的改变称为液晶的 电光效应。液晶的电光效应有很多种，主要有动态散射型（dc）、扭曲向列型（tn）等本实验所用的液晶 样品即为tn型.图8-40 tn型液晶光开关的结构tn型光开关的结构如图8-40所示均匀扭曲排列起来的结构具有光波导的性质，即偏振光从上电极表面透过扭曲排列起来的液 晶传播到下电极表面时，偏振方向会旋转90度.取两张偏振片贴在玻璃的两面，p1的透光轴 与上电极的定向方向相同，p2的透光轴与下电极的定向方向相同，于是p1和p2的透光轴相 互正交。

20、在未加驱动电压的情况下，来自光源的自然光经过偏振片p1后只剩下平行于透光轴的线偏振 光，该线偏振光到达输出面时，其偏振面旋转了 90。这时光的偏振面与p2的透光轴平行， 因而有光通过。在施加足够电压情况下，在静电场的吸引下，除了基片附近的液晶分子被基 片“锚定”以外，其他液晶分子趋于平行于电场方向排列。于是原来的扭曲结构被破坏，成 了均匀结构。从pl透射出来的偏振光的偏振方向在液晶中传播时不再旋转，保持原来的偏振 方向到达下电极。这时光的偏振方向与p2正交，因而光被关断。图8-41液晶光开光的电光特性曲线图8-42液晶的视角特性图8-41为光线垂直入射时本实验所用液晶相对透射率与外加电压的关系

21、。由图8-41可见，对于常白模式的液晶，其透射率随外加电压的升高而逐渐降低，在一定电压 下达到最低点，此后略有变化。液晶光开关的视角特性表示对比度与视角的关系。对比度定义为光开关打开和关断时透射光 强度之比，对比度大于5时，可以获得满意的图像，对比度小于2,图像就模糊不清了。2、太阳能电池伏安特性的测量：光伏效应指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不 同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子转化为电子、光能量转化为电能量的过程； 其次，是形成电压过程。太阳电池的工作原理是基于光伏效应。当光照射太阳电池时，将产生一个由n区到p区的 光。生电流iph。同时，由于pn结二极管的特性，存在正向二

22、极管电流id，此电流方向 从p区到n区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流i为?qv?di?iph?id?iph?i0?exp?nkt?1?b?太阳电池的输出端短路时，v = 0 (vd0)，得短路电流isc?iph即太阳电池的短路电流等于光生电流，与入射光的强度成正比。当太阳电池的输出端开路时，= 0，得开路电压mocvvoc?isc?nkbt?ln?1?q?i0?当太阳电池接上负载r时，所得的负载伏-安特性曲线如 图所示。ii负载r可以从零到无穷大。当负载rm使太阳电池的功率输出为最大时，它对应 的最大功率pm为pm?imvm将voc与isc的乘积与最大功率pm之比定义为填充因子ff，则

23、pmvmimff? vociscvociscff为太阳电池的重要表征参数，ff愈大则输出的功率愈高。3、光电效应：在光的照射下，电子从金属表面逸出的现象称为光电效应.图7-34是研究光电 效应实验物理规律和测量普朗克常数h的实验原理图.在抽成真空的光电管中,a为阳极,k为 阴极光频率为v的光照射到由金属材料做成的阴极k上,就有光电子逸出金属表面，在电场的 加速作用下光电子向阳极a迁移，在回路中形成光电流.当光电管两端加反向电压时，具有最大动能的电子刚好被反向电场阻挡，即1eus?m?2(1)h?ws?12m?m2 (2)反us?hh?0ee(3)可见,u与v成线性关系【实验结果】：【结果分析】：液晶电光效应：水平方向和垂直方向图像基本走向是相同的，在0.00v0.90v之间基本保持 不变，在0.90v1.8v之间变化很快，最后达到2.0v后基本不变达到饱和状态，透射率变为 0。 但是我们可以从图像中看出，两种方法放置时他们的阀值电压和关断电压都略有区别， 我们可以看出水平放置时阀值电压和关断