硅光电池特性测试实验.docx

实验系列四、硅光电池特性测试实验光通路组件面光源光调制控制输入端U U U U分光镜①此处可拆卸照度计探头光电流输出端/滤色片光电探测器 余弦校正器光器件输出端图2 硅光电池光通路组件功能说明：分光镜：50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试 方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度一、实验目的图2-1.半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区1、学习掌握硅光电池的工作原理2、学习掌握硅光电池的基本特性3、 二掌握硅光电池基本特性测试方法、实验内容4、了解硅光电池的基本应用1、硅光电池短路电路测试实验2、硅光电池开路电压测试实验3、硅光电池光电特性测试实验4、硅光电池伏安特性测试实验5、硅光电池负载特性测试实验6、硅光电池时间响应测试实验7、硅光电池光谱特性测试实验三、实验仪器1、硅光电池综合实验仪1个5、2#迭插头对（黑色，50cm）10根2、光通路组件1只6、三相电源线1根3、光照度计1台7、实验指导书1本4、2#迭插头对（红色，50cm）10根8、20M示波器1台四、实验原理1、硅光电池的基本结构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, 因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。

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eVI 二 I (ekT -1) +1 (1)s p式(1)中Is为饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流 从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于反偏 时(在本实验中取V=-5V),流过PN结的电流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反偏状态光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入 光功率Pi有以下关系：I = RP (2)P i3、硅光电池的基本特性(1) 短路电流不同的光照的作用下，毫安表如显示不同的电流值即为硅光电池的短路电流特性2)开路电压硼扩散层不同的光照的作用下,(3)光照特性N型硅片(b )光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的,(4) 伏安特性在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及 电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。

5) 负载特性(输出特性)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，电流较大而电压较小实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池 的负载特性5)光谱特性一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下,光电池所产生短路电 流与入射光波长之间的关系一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm,峰值波长为800~900nm,由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm,因此， 实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势五、实验步骤1、硅光电池短路电流特性测试实验装置原理框图如图2-11 所示图 2-11 硅光电池短路电流特性测试(1) 组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连 (红为正极，黑为负极)，将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连2) “光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照 度计的读数应为 03) “光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”将拨位开关S1拨上，S2, S3, S4, S5,S6，S7 均拨下。

4) 按图 2-11 所示的电路连接电路图(5) 打开电源顺时针调节照度调节旋钮,使照度值依次为下表中的光照度值,分别读出电流表读数,填入下表,关闭电源光照度(Lx)0100200300400500600光生电流(uA)0.110.621.933.443.954.467.46) 上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流7) 实验完毕,关闭电源,拆除所有连线2、硅光电池开路电压特性测试 实验装置原理框图如图2-1 2所示图 2-12 硅光电池开路电压特性测试1)~(5)同上光照度(Lx)01020304050100200300400500600光生电压(mA)78.1188.32272472622723033363523643733816）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源7）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压8）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线3、硅光电池光照特性（1）根据实验1和 2 所调试的实验数据，作出如图2-5 所示的硅光电池的光照电流电压特光生电流（uA）光生电压（mA）（2）改变不同光照度的取值，重复实验1 和实验2，并作出相应硅光电池的光照电流电压 特性曲线。

光照度（Lx）155237240488628751光生电流（uA）16.626.337.754.570.684.8光照度（Lx）1625374562153245274498616光生电 压（mA）223244262272285324344361373382200 400 600 8001008060402004、硅光电池伏安特性（1）~（3）同上(4) 电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调 节至最小值位置5) 按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为200欧，打开电源顺时针调节照度调节旋 钮，增大光照度值至500lx记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；(6) 关闭电源，将R分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表 的读数，填入下表电阻0.2K2K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K电流0.10.40.91.21.2.33.03.76.914.5电压0.10.10.10.10.10.10.10.10.10(7)改变光照度为lOOLx、300Lx,重复上述步骤，将实验结果填入下表100 lx：电阻0.2K2K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K电流13.133.168.591.7116163201228274297电压111110.910.10.610.29.6&85.21.5300 lx：电阻0.2K2K5.1K7.5K10K15K20K25K51K200K电流40.8103201256285313325331343351电压34.233.931.930.226.219.615.512.76.51.75. 硅光电池负载特性测试实验（1）~（4）同上（5） R取值为2K欧。

6） 打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度!0Lx, lOOLx, 200Lx, 300Lx, 400Lx，500Lx，600lx分别记录电流表和电压表读数，填入下表光照度（lx）0100200300400500600电流（UA）0.110.622.132.944.755.467.5电压（mV）0326798134168204（7）关闭电源，将R分别换为510， 1K， 5.1K, 10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表R=510 欧光照度（lx）0100200300400500600电流（UA）0.110.822.533.244.756.366.7电压（mV）0.2163350678399R=1K光照度（lx）0100200300400500600电流（UA）0. 110.822.133.644.954.664.3电压（mV）0.321.5436588108127R=5.1K光照度（lx）0100200300400500600电流（UA）0.110.92231.939. 845.749.7电压（mV）168.5139201257288316R=10K光照度（lx）0100200300400500600电流（UA）0.110.520.525.628.930.631.5电压（mV）1.7114223281315334344（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线, 并进行分析。

6、硅光电池光谱特性测试（1）组装好光通路组件2） “光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关SI, S2, S4, S3, S5, S6，S7 均拨下3） 将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V, 关闭电源4） 按如图2-12 连接电路图.（5） 打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2, S3, S4, S5, S6, S7拨上 后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数E作为参考注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）（6） S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E,将电压表测试所得的数据填入下表， 再将 S2 拨下；（7） 重复操作步骤（6）,分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填 入下表波长（nm）红（630）橙（605）黄(585)绿（520）蓝（460）紫（400）基准响应度0.650.610.560.420.250.06电压。