硅光电池特性研究

硅光池特性究【验的2.

了解硅光电池工作理掌握硅光电池的工特性。【验理硅光电池是根据光效应而制成的将光能换成电能的一种器件它的基本结构就是个

结。硅光电池的制造，一般是P型硅片扩散磷形成N型薄层，是N/P型池。也可在型硅片上扩散硼形P型薄层，形成P/N型电池光电池是在N（型硅基底上扩散P（N型杂质并作为受光面，成个结后，再经过各种工艺理，分别在基底和敏面上制作输出电极涂上二氧化硅作保膜（一方面起防潮保作用，另一方面对入光起抗反射作用成硅光电池（图1所图1硅光电池结构1、P-N结偏特性当型和N型半导体材料结合时由于型材空穴多电子少，N型材料电子多空少，结果P型材料中的空穴向型材这边扩散，型材中的电子向P型材料边扩散，扩散的结果得结合区两侧的型出现负电荷，N型区带正电荷，形一个势垒。由此而生的内电场将阻止扩运动的继续进行，当两达到平衡时，PN结两侧形成一个耗尽区耗尽区的特点是无由载流子，呈现高阻抗。当PN反偏时，外加电与内电场方向一致耗尽区在外电场作用变宽，使势垒加强当正偏时，外加电场内电场方向相反耗尽区在外电场作下变窄，使势垒削弱使载流子扩散运动继续形成电，这就N结的单向导电性，电流向是从P向N。2示是半导体结在零偏、反偏、正下的耗尽区。

(a)零偏

(b)反图2硅光电池PN结在零偏，反偏和正下的耗尽区

(c)正偏2、伏效应当硅光电池PN结处于零偏或偏时，在它们的合面耗尽区存在一电场，当有光照时电池对光子的本征吸收和非征吸收都产生光生载子，但能引起光伏效的只能是本征吸收激发的少数载流子。入射光子将处于价带中的束缚电激发到导带，激发出电子空穴对在内电作用下分别飘移到型区和型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流过负载。基于光伏应，硅光电池的应用分为两类。一是作为能源，如把太光的能量转换为电能为太阳能电池，是用太阳能的重要元件。另一类是作光电信号转换器，可于光探测器。3、(1)伏安特性在一定光照下，在电池两端加一个负载会有电流流过，当负很大时，电流较小电压较大；当负载很小时，电流较而电压较小。如图3所示，光电池的伏安特性线由二个部分组成：无偏压工作状态光电流随负载变很大。反偏压工作状态光电流与偏压、载几乎无关（很大动态范围内伏安特性曲线在横上的截距为开路电压U，在纵轴上的截为短路电流I。sc图3硅光电池的伏安特性曲线

TT当没有光照时，硅电池等效于普通的二管，其伏安特性为：I

I

0

I

为流过PN结的电I为反向饱和电流，q电子电荷，k为玻尔兹曼数T绝对温度，是0加在PN结两端电压。对于加正向电压I

随V指数增长，称正向电；当外加电压为反向，在反向击穿电压之内反向饱和电流基本是常数。当有光照时，入射子把处于价带的束缚子激发到导带，激发的电子空穴对在内场作用下分别飘逸到型区P型，当在PN结端加负载时就有光电流流过负载，过结两端的电流：IIexp1式中I是与入射光的度成正比的光生流，其比例系数与载电阻的大小及硅电池的结构特性ph有关。当硅光电池在短路态时（路电流为：IscU

ph

当硅光电池在开路态时（I=0路电压为

q

ln

I0

短路电流I和光照强度成正比，开电U与光照强度L的对数正比。图在一定光照范围sc内I和U随L的变化关系。在线性量中，光电池通以电流形式使用，I与呈线性关系scOCsc是光电池的重要光特性。实际使用时都有负载电阻R，输出电流I随L的增加而非线性缓慢地LL增加，并且随的增大线性范围也越来小。因要求输出的I与呈线性关系时，R在条件许LLL可的情况下越小越，并限制在光照范围使用。图硅光电池的光照特性曲

图5光电池的输出特性线(3)输出特性硅光电池负载R上的电压降和通过的电流之积称为硅光池的输出功率在一定的照度下，LL不同R有不同的输功率，输出功率达到最大P时负载电阻R称为最佳负电阻。此时能量L转换效率最高，且随光强而变化。当R时：PI,中U和I分别是最佳作电压和最mLmmmm佳工作电流，P为最大输出功率。硅光电池的出特性曲线如图5所。m

填充因子FF，其定为：FF

PUImmmUIUISCFF是征硅光电池性能劣的一个重要参数FF越大则出功率越高，说明硅电池对光的利用率越高。FF取于入射光强、材禁带宽度、负载电等。(4)光谱响应特性硅光电池的光谱响表征不同波长的光子生电子穴对的能力。各种波的单位辐射光能对应的光子入射到硅光池上，将产生不同的路电流，按波长的分求得其对应的短路流变化曲线称为硅光电池的光谱应曲线。通常把光谱应的最大值取为1，它值作归一化处，这样的曲线也叫相对灵敏度分布线。图6给了典型的硅光电光谱响应曲线。图6硅光电池的光谱响应曲线硅光电池的光谱响范围是nm，使用时必须意与入射光的波匹配，获得较高的电子输出效率。实验中通过测试硅光电池的对灵敏度表征其光谱应特性。硅光电池灵敏度K为K

PP为光电池测得光强，可用短路电流表示；光源随波长的发强度；T为滤光片的峰值透过率，

为滤光片的半宽度其相对灵敏度为

K=

K

,

为不同波长对

的最大值。r

r

K

m

m

【验器硅光电池、数万用表、毫表、电阻箱、溴钨、直流稳压电源、光导轨及支座、开关导线。【验容步】1.硅光电暗伏安特测量在没有光照（全黑下，测量硅光电池正偏压时的VI特性曲线，论硅光电池的暗伏安性与一

般二级管伏安特性何异同。

L2.硅光电输出特性量L不加偏压，用溴钨照射硅光电池，溴钨到硅光电池的距离d50时，光照强L为40lx；电阻箱作为负载。）测量不同L不同R的硅电池在-I系，求出对应的电I和率绘U-I-曲线。LL（要求：许使用数万用表电压说明使用用表的量，负载电小负R（）

50

200

…

10002000

…

100001500020000

∞电Ud=20cm电I(mA)L=功(mW)电Ud=30cm电I(mA)L=功(mW)电Ud=40cm电I(mA)L=功(mW)电Ud=50cm电I(mA)L=40lux功(mW)）不同光照下的短电流I

，开路电U

；不同光照下的最输出功，对应最负载电阻mR，填充因子FF。m特性测、短路流I与光照L3.硅光电开路电压测量不同光照下硅电池的开路电压U、短路电流I，绘Usc

L

、I-L

曲线；给ULOC

、I-L的近似函数关系。（要求：许使用数万用表电压说明使用用表的量距离d（）光强（lx）开电U（V）短电I（mA

20253540504.

不同负下硅光电输出电压V、电I

与光照特性量测量不同负载R的硅光电池输电压V、电流I绘制VL