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实验S-3-5硅光电池特性的研究实验S-3-5硅光电池特性的研究与应用硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，它和同类元件，如硒光电池、硫化镉光电池、砷化镓光电池、碘化铟光电池等相比，有很多优点：如光谱响应范围宽、性能稳定、线性响应好、使用寿命长、转换效率较高、耐高温辐射、光谱灵敏度和人眼的灵敏度相近等。因此，它在光电技术、自动控制、计量检测、光能利用等很多领域得到广泛的应用。通过硅光电池光学和电学性质的实验研究，有助于了解用以表征光电器件性能的研究方法及其技术手段。一、实验目的1.学习数字式多用表的使用。2.了解硅光电池的基本特性。3.用马吕斯定律检验硅光电池的线性响应。4.用硅光电池的偏置特性设计调光电路。二、实验原理1.半导体P-N结及其偏置特性半导体中掺入微量的的三价（五价）杂质元素，就形成了P型（N型）半导体。把P型硅和N型硅互相紧密地衔接就组成一个P-N结，这种结是同质结。硅光电池P-N结的制造，一般是在P型硅片上扩散磷形成N型薄层，这就是N/P型电池。也可在N型硅片上扩散硼形成P型薄层，这就形成P/N型电池，如图1所示。图1硅光电池PN结由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA-和施主离子ND+。如图2(a)所示，Θ代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电；⊕代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），即P区的空穴浓度远远高于N区，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N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1|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究子，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结。（a）(b)(C)图2半导体PN结在零偏、负偏、正偏下的耗尽区形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电。而在这个区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高。此外，这个区域内多数载流子已扩散到对方并复合掉了，或者说消耗尽了，所以空间电荷区有时称为耗尽层。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，成为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区。由P区向N区扩散的空穴在空间电荷区将受到内电场的阻力，而由N区向P区扩散的自由电子也将受到内电场的阻力，即内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用，所以空间电荷区又称为阻挡层。若在PN结上加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向相反，扩散和漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是整个空间电荷区变窄，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结处于导通状态。PN结导通时呈现的电阻称为正向电阻，其数值很小，一般为几欧到几百欧。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，这时PN结呈现的电阻很低。正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。空穴和电子虽然带有不同极性的电荷，但由于它们的运动方向相反，所以电流方向一致。外电源不断的向半导体提供电荷，使电流得以维持。若在PN结上加反向电压，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结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走，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，在外电场的作用下，N区中的空穴越过PN结进入P区，P区中的自由电子越过PN结进入N区，在电路中形成反向电流（由N区流向P区的电流）。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高，可以认为PN结基本上不导电，处于截至状态。此时的电阻称为反向电阻，其数值很大，一般为几千欧到十几兆欧。2|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究又因为少数载流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，所以温度变化时少数载流子的数量也随之变化。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结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。图2是半导体PN结在零偏﹑负偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，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PN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PN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PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。2.光伏效应当硅光电池PN结受光照时，电池对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡PN结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，称为光伏效应。其P端为正极性，N端为负极性。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。基于光伏效应，硅光电池的应用分为两类。一类是作为能源，如把太阳光的能量转换为电能，为太阳能电池，是利用太阳能的重要元件。另一类是作为光电信号转换器，可用于光探测。3.照度特性当没有光照射时，硅光电池等效于于普通的二极管。其伏安特性为：]1)[exp(B0−=TnkqVII(1)式中I为流过二极管的总电流，I0为反向饱和电流，q为电子电荷，n为理想系数是表示PN结特性的参数，通常在1-2之间，kB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V指数增长，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3|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究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结两端的电流：]1)[exp(0−−=TnkqVIIIbph(2)式中Iph是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻的大小以及硅光电池的结构特性有关。当硅光电池在短路状态时（0=V），短路电流为：phscII=(3)当硅光电池在开路状态时（0=I），开路电压为：)1ln(0+=IIqTnkVscBoc(4)比较公式(3)和(4)可知，短路电流Isc和光照度成正比，开路电压与照度的对数成正比。图3给出了一定的光照范围内短路电压和开路电压随入射光照度的变化关系。图3硅光电池的光照特性曲线4.伏安特性在一定的光照下，硅光电池接上不同的负载RL，就会有一组确定的I、V与之对应，这些I、V关系曲线称为硅光电池的伏安特性曲线。如图4所示。图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：1)无偏工作状态，光电流随负载电阻变化很大；2)反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）。在一定光照下，伏安特性曲线在纵轴上的截距为开路电压Voc，在横轴上的截距为短路电流Isc。4|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究图4硅光电池的伏安特性曲线5.输出特性硅光电池负载RL上的电压降V和通过RL的电流之积称为硅光电池的输出功率P。在一定的照度下，负载电阻RL不同有不同的输出功率，输出功率达到最大值Pm时的负载电阻Rm称为最佳负载电阻（如图5所示）此时能量转换效率最高，并且Rm随光强而变化。图5硅光电池输出功率随负载电阻变化关系曲线当RL=Rm时：mmmIVP=(5)式中Im和Vm分别为最佳工作电流和最佳工作电压。最大功率Pm与Isc和Voc的沉积之比定义为填充因子FF，即：5|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究scocmmscocmIVIVIVPFF==(6)FF是表征硅光电池性能优劣的一个重要参数，FF愈大则输出功率越高，说明硅光电池对光的利用率越高。FF取决于入射光强、材料的禁带宽度、理想系数、负载电阻等。6.光谱响应特性硅光电池的光谱响应表征不同波长的光子产生电子-空穴对的能力，即当某一波长的光照射在电池表面上时，每一光子平均所能收集到的载流子数。各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到太阳电池上，将产生不同的短路电流，按波长的分布求得其对应的短路电流变化曲线称为硅光电池的光谱响应曲线。通常是把光谱响应的最大值取为1，其他值作归一化处理，这样作成的曲线也叫相对灵敏度分布曲线。多数光电器件是有选择性的探测器，对不同波长的光有不同的响应，图6给出典型的硅光电池光谱响应曲线。图6硅光电池的光谱响应曲线硅光电池的光谱响应范围是400～1100nm,在使用时必须注意与入射光的波长相匹配，以获得较高的光电子输出效率。实验中经常通过测试硅光电池的相对灵敏度表征其光谱响应特性。硅光电池的灵敏度Kλ为：ληλλλλ∆=TPK(7)式中Pλ为硅光电池测得的光强，也可用短路电流表示；ηλ为光源随波长的发射强度；Tλ为滤色片的峰值透过率，△λ为滤色片的半带宽。其相对灵敏度Krλ为：mrKKkλλ=(8)Km为不同波长对应Kλ的最大值。7.温度特性6|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究半导体材料易受温度的影响，它直接影响光电池的光电流值。硅光电池的温度特性是指开路电压、短路电流与温度的关系。如图7所示。由于它影响硅光电池的温度漂移，测量精确度等指标，因此显得尤为重要。(a)开路电压Voc随温度变化曲线(b)短路电流Isc随温度变化曲线图7硅光电池的温度特性曲线三、实验内容：1.研究硅光电池的照度特性：1)将高亮度发光二极管与硅光电池相对放置，罩上遮光罩以避免杂散光的影响。2)如图8连接LED光源电路，开启电源。3)逐渐减小光源电路中的电阻值R1，增加发光二极管的驱动电流，用数字电压表读出其开路电压，并记录在表格中。4)重复以上实验过程，用微安表读出其短路电流，并记录在表格中。5)分别绘制开路电压以及短路电流与发光二极管驱动电流的关系曲线。图8照度特性实验电路2.研究硅光电池的输出特性：1)如图9连接LED光源及硅光电池电路，设置LED光源驱动电流为某一固定值。2)逐一改变负载电阻的大小，记录毫安表和数字电压表读数，并填入表格。7|同济大学物理实验中心实验S-3-5硅光电池特性的研究3)计算硅光电池的输出功率，绘制硅光电池功率随电阻变化的曲线，由此可求出最大输出功率和最佳负载电阻。图8照度特性实验电路3.根据硅光电池的偏置特性，设计制作一调光电路，可通过光照亮度控制负载LED发光亮度。1)设计并绘制调光电路图。2)按图连接电路