实验四硅光电池特性测试及其变换电路模板

1、西南交通大学 光电专业 实验报告学号： 2015114XXX 姓名： XXX 班级： 光电X班 组号： X同组人(姓名/学号)： 实验名称： 硅光电池特性测试及其变换电路 本次实验是本学期你所做的第 X 个实验实验日期： 2018 年 6 月 X 日 讲 指导教师/报告箱号： 实验目的：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、掌握硅光电池基本特性制试方法4、了解硅光电池的基本应用实验仪器：1、光电器件和光电技术综合设计平台 1台2、光源驱动模块 1个3、负载模块 1个4、光通路组件 1套5、硅光电池及封装组件 1套6、2#迭插头对(红色，50cm) 10根7、2#迭插头对(黑色，50cm) 10根8、示波器 1台实验原理/实验电路图：光电三极管与光电二极管的工作原理基本相同，工作原理都是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信。太阳能电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，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

2、导体PN结原理、光电效应和光伏电池产生机理。图4-1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型材料电子多空六少，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，当界结正偏时，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，此即为所结的单向导电性，电流方向是从P指向N。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，它被设计用于把入时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。光电池的基本结构如图4-2，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

3、激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到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。流过所结两端的电流可由式1确定：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结的电流上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： (2)式(2)中R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为=1.1um，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。3、硅光电池的基本特性(1) 短路电流如图4-3所示，不同的光照作用下，毫安表若显示不同的电流值，那硅光电池短路时的电流值也不同，此即为硅光电池的短路电流特性。(2)开路

4、电压如图4-4所示，不同的光照的作用下，电压表若显示不同的电压值。那硅光电池开路时的电压也不同，此即为硅光电池的开路电压特性。(3)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性，如图4-5所示即为硅光电池光生电流和光生电压与光照度的特性曲线。在不同的偏压的作用下，硅光电池的光照特性也有所不同。(4)伏安特性如图4-6，硅光电池输入光强度不变，负载在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。其特性曲线如下图4-6所示:检测电路图如下图4-7所示:(5)负载特性(输出特性)图4-7硅光电池的伏安特性测试光电池作为电池使用，如图4-8所示。在内电场作用下，入射光于由于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，当负载很大时，电流较小而电压较大；当负载很小时， 电流较大而电压较小。实验时可改变 负载电阻R的值来确定硅光电池的负载特性。在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度(光能量)呈线性关系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载

5、电阻RL,输出电流IL随照度(光通量)的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出的电流与光照度呈线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在光照范围内使用。光电池光照与负载特性曲线如图4-9所示。(6)光谱特性一般在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，硅光电池所产生光电流/电压与入射光波长之间的关系。(7)时间响应特性表示时间应特性的方法主要有两种，一种是脉冲特性法，另一种是幅频特性法。脉冲响应光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。减少负载电阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光敏三极管的频响比硅管小一个数量级。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4-10所示。(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。(2)将开关S2拨到“静态”。(3)按图4-10所示的电路连接电路图。(4)打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使

6、照度依次为表1所列值，分别读出电流表读数，填入表1，关闭电源。(5)将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。(6)表1中所测得的电压值即为硅光电池在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4-11所示。(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。(2)将开关S2拨到“静态”。(4)打开电源，顺时针调节光照度调节旋钮，使照度依次为表2所列值，分别读出电流表读数，填入表2，关闭电源。(5)将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。(6)表2中所测得的电压值即为硅光电池在相应光照度下的开路电压。(7)实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。3、硅光电池光照特性根据实验1和2所测试的实验数据，作出如图4-5所示的硅光电池的光照电流电压特性曲线。4、硅光电池伏安特性实验装置原理框图如图4-12所示。(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及

7、信号模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。(2)将开关S2拨到“静态”。(3)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。(4)按图4-12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5001x.记录下此时的电压表和电流表的读数填入表3。(5)关闭电源，将R分别换为510，750, 1K, 2K, 5.1K，7.5K，10K,20K重复上述步骤， 并记录电流表和电压表的读数，填入表3。(6)改变光照度为300Lx、100Lx重复上述步骤，将实验结果填入表4,5。(7)根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分析。(8)实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。5.硅光电池负载特性测试实验(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。(2)将开关S2拨到“静态”。(3)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

8、至最小值位置。(4)按图4-13所示的电路连接电路图，R取值为RL2=100欧。(5)打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，从0Lx逐渐增大光照度至100Lx, 200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600Lx分别记录电流表和电压表读数，填入表6。(6)关闭电源，将R分别换为510欧，1K，5.1K，10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入表7,8,9,10。(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当不同波长的入射光照到硅光电池上，硅光电池就有不同的灵敏度。本实验仪采用高亮度LED(白、红、橙、黄、绿、蓝、紫)作为光源，产生400630nm离散光谱。光谱响应度是光电探测器对单色入射辐射的响应能力。定义为在波长的单位入射功率的照射下，光电探测器输出的信号电压或电流信号。即为或式中，P()为波长为时的入射光功率:P()为光电探测器在入射光功率P()作用下的输出信号电压:I()则为输出用电流表示的输出信号电流。本实验所采用的方法是基准探测器法，在相同光功率的辐射下，则有式中，Uf为基准探测器显示

9、的电压值，K为基准电压的放大倍数，f()为基准探测器的响应度。取在测试过程中，Uf取相同值，则实验所测试的响应度大小由=U f()的大小确定。下图为基准探测器的光谱响应曲线。(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。(2)按如图4-14连接电路图。(3)打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，通过左切换和右切换开关，将光源输出切换成不同颜色，记录照度计所测数据，并将最小值“E”为参考。(4)分别测试出红光、橙光，黄光，绿光，蓝光，紫光在光照度E下时电压表的读数，填入表11。(5)根据所测试得到的数据，绘出硅光电池的光谱特性曲线。7、硅光电池时间响应特性测试(1)组装好光通路组件，将照度计与照度计探头输出正负极对应相连(红为正极，黑为负极)，将光源驱动及信号处理模块上J2与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。信号源方波输出接口通过BNC线接到方波输入。正弦波输入和方波输入内部是并联的，可以用示波器通过正弦波输入口测量方波信号。(2)将开关S2拨到“脉冲”。(3)按图4-15所示的电路连接电路图，负载RL选择RL=10K欧。(4)示波器的测试点应为硅光电池的输出两端；

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