硅光电池研究

普通物理实验III课程论文题目硅光电池特性研究学院物理科学与技术学院专业物理学年级2014级学号222014315052028姓名李国宇指导教师孙凯论文成绩答辩成绩2015年11月20日1硅光电池特性研究李国宇西南大学物理科学与技术学院，重庆400715摘要：硅光电池电池是一种太阳能电池，具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。经过人们40多年的努力，硅光电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。对硅光电池电池的工作原理和基本特性的研究，有利于我们对硅光电池相关原理和特性的进一步的认识。我们采用FD-OE-4型太阳能电池基本特性测定仪对硅光电池的基本特性进行了研究并做了如下的工作：在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件，测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式；测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率和填充因子；测量了太阳能电池的短路电池、开路电压与相对光强的关系，并求出他们的近似函数。本文就硅光电池相关原理和现象及有关物理量进行定性或定量的分析。关键词：硅光电池；PN结；短路电流；开路电压；填充因子引言能源是人类发展必不可少的东西。世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。然而，由于这些化石能源将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭，能源危机已成为世界关注的首要问题之一。为了持续的发展与进步，开发新能源已成为世界各国需要解决的首要问题。太阳能以其具有普遍性、无害性、长久性、大量性等优点已受到科学界普遍的关注。其中，以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。硅光电池是一种半导体光电转换器件,它能把光能直接转换成电能，具有效率高、重量轻、体积小、寿命长等一系列特点。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。深刻理解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PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。本文首先介绍了硅光电池的主要原理，然后通过对硅光电池研究实验的分析，得出硅光电池的基本特性，并对有关物理量进行定性或定量分析。21实验原理1．1PN结的形成及单向导电性硅光电池的核心部件是一个大面积的PN结。采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。如图１所示，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。图1半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区Fig.1ThedepletionregionofsemiconductorPNjunctionatzerobias,reversebias,positivebias图1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑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3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。1．2硅光电池的工作原理硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能。光电池的基本结构如图2，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，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结两端的电流可由式（1）确定I=𝐼𝑜(𝑒𝛽𝑈−1)+𝐼𝑝(1)式（1）中I𝑜为饱和电流，U为PN结两端电压，β为常量，I𝑝为产生的光电流。当太阳能电池在没有光照时，其光电流I𝑝=0,式（1）可化为：I=𝐼𝑜(𝑒𝛽𝑈−1)(2)假设太阳能电池的理论模型是由一个理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一图2光电池结构示意图Fig.2Theschematicdiagramofopticalcellstructure4个理想二极管、一个并联电阻R𝑠ℎ与一个电阻R𝑠所组成，如图3所示。图3光照条件下太阳能电池的等效电路图Fig.3Theequivalentcircuitdiagramofsolarcellunderilluminationcondition图3中，𝐼ph为太阳能电池在光照时该等效电源的输出电流，𝐼𝑑为光照时，通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得：𝐼𝑅𝑠+𝑈−(𝐼ph−𝐼𝑑−𝐼)𝑅sh=0(3)（3）式中，I为太阳能电池的输出电流，U为输出电压。由（3）式可得，𝐼(1+𝑅𝑠𝑅𝑠ℎ)=𝐼ph−𝑈𝑅𝑠ℎ−𝐼𝑑(4)假定𝑅𝑠ℎ=∞和𝑅𝑠=0，太阳能电池可简化为图4所示电路。图4太阳能电池简化电路图Fig.4Thesimplifiedcircuitdiagramofsolarcell5这里，𝐼=𝐼ph−𝐼𝑑=𝐼ph−𝐼0(𝑒𝛽𝑈−1)(5)在短路时，𝑈=0，𝐼ph=𝐼sc；而在开路时，𝐼=0，𝐼sc−𝐼0(𝑒𝛽𝑈oc−1)=0；所以有，𝑈oc=1𝛽ln[𝐼sc𝐼0+1](6)（6）式即为在𝑅𝑠ℎ=∞和𝑅𝑠=0的情况下，太阳能电池的开路电压𝑈oc和短路电流𝐼sc的关系式。其中𝐼0和β是常数。2实验仪器a．光具座及滑块b．具有引出接线的盒装太阳能电池c．数字万用表2只d．直流电源1个f．光源1个，射灯结构g．遮板及遮光罩各一个实验装置如图5图5实验装置图Fig.5Theexperimentalapparatus63实验过程3.1无光源时太阳能电池正向偏压的I-U特性的测量在没有光源（全黑）的条件下，测定太阳能电池正向偏压时的I-U特性（直流偏压从0-3.0V）。a．测量线路图图6无光源时太阳能电池正向偏压的I-U特性测量线路图Fig.6TheI-Ucharacteristicsofforwardbiasvoltageofsolarcellswithoutlightsourceb．利用测得的正向偏压时I-U关系数据，画出I-U曲线并求得常数β和𝐼0的值。3.2无偏压光源照射太阳能电池相关特性的测量在不加偏压时，用白色光源照射，测量太阳能电池的一些特性。注意此时光源到太阳能电池距离保持为20cm。a．测量电路图7图7无偏压光源照射太阳能电池相关特性测量线路图Fig.7Therelevantcharacteristicsofthesolarcellwithnobiasvoltageundertheilluminationofthelightsourceb．测量电池在不同负载电阻下，I对U变化关系，画出I-U曲线图。c．求短路电流𝐼sc和开路电压𝑈oc。d．求太阳能电池的最大输出功率及最大输出功率时负载电阻。e．计算填充因子FF=𝑃𝑚(𝐼𝑠𝑐𝑈𝑂𝐶)⁄。3.3太阳能电池的光照效应与光电性质的测量。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J0；改变太阳能电池到光源的距离x，用光功率计测量x处的光照强度J，求光强J与位置X的关系。测量太阳能电池接收到相对光强度𝐽𝐽𝑜⁄不同值时，相应的𝐼sc和𝑈oc的值。a．描绘𝐼sc和相对光强度𝐽𝐽𝑜⁄之间的关系曲线，求𝐼sc与相对光强𝐽𝐽𝑜⁄间的近似关系函数。b．描绘出𝑈oc和相对光强度𝐽𝐽𝑜⁄之间的关系曲线，求𝑈oc与相对光强度𝐽𝐽𝑜⁄之间的近似函数关系。84实验数据记录与处理4.1无光源时太阳能电池正向偏压的I-U特性在全暗的情况，测量太阳能电池正向偏压下流过的电流I和太阳能电池的输出电压U,测量电路如图所示，测量结果如表所示。表1全暗情况下太阳能电池在外加偏压时伏安特性数据记录表Table1Thevolt-amperecharacteristicsofsolarcellsundertheconditionofthefulldarkU/VI/mAlnI2.465.521.712.475.711.742.485.891.772.496.081.812.506.271.842.516.471.872.526.711.902.536.911.932.547.151.972.577.792.052.598.362.122.629.102.212.649.632.262.6610.372.342.7011.462.442.7413.092.572.7814.802.692.8015.862.762.8216.952.832.8417.862.882.8518.442.912.8619.252.962.8719.842.99由于𝐼𝐼𝑂=𝑒𝛽𝑈−1，当U较大时，𝑒𝛽𝑈≫1，即ln𝐼=𝛽𝑈+ln𝐼𝑜。取最后12组ln𝐼-U数据，得到一次函数曲线，如图8所示。9图8无光源时太阳能电池正向偏压的I-U特性曲线Fig.8TheI-Ucharacteristiccurveofpositivebiasvoltageofsolarcellswithoutlightsource由图8可得β=3.11𝑉−1，𝐼𝑜=2.61×10−3mA，相关系数r=√𝑅2=0.9997。4.2无偏压光源照射时太阳能电池相关特性在不加偏压时，在使用遮光罩条件下，保持白光源到太阳能电池距离20cm，测量太阳能电池的输出I对太阳能电池的输出电压U的关系,测量结果如表2所示。表2光照下输出电流I与输出电压U和输出功率P与负载电阻R的关系数据记录表Table2Thedateformofrelationshipbetweenoutputcurrent,outputvoltageandoutputpower,loadresistanceU/VI/mAR/kΩP/mW0.091.0380.090.0930.301.0350.290.3110.401.0350.390.4140.491.0350.470.5070.581.0360.560.6010.681.0360.660.7040.791.0350.760.8180.891.0350.860.9210.991.0380.951.0281.091.0391.051.1331.191.0381.151.2351.281.0341.241.324y=3.11