硅光电池特性研究实验

       【实验原理】

    在p型硅片上扩散一层极薄的n型层，形成pn结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。光电池的符号见图5.7.1(b)。

当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn结附近时受pn结内电场的作用，空穴向p区迁移，使p区显示正电性，电子向n区迁移，使n区带负电，因此在pn结上产生电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。

硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。

(1)在无光照时，光(生)电流，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。根据半导体理论，流经二极管的电流与其两端电压的关系符合以下经验公式

                                              （5.7.1）

式中：β和是常数。

(2)有光照时，>o，光电池端电压与电流的关系为

                           (5.7.2)

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天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书

硅光电池特性研究

【实验目的】

1．掌握PN结形成原理及其工作原理；

2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；

3．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。

【实验原理】

1. 半导体PN结原理

目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳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导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。

(a) 零偏

(b) 反偏 (c) 正偏

图1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区

图1是半导体PN结在零偏、正偏、反偏下的耗尽区。当P型和N型半导体材料结合时，即没有外加电压的零偏时（图1a），由于P型材料多数载流子为空穴（带正电荷，Positive charge），而N

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天津工业大学 大学物理实验室 实验指导书

型材料多数载流子为电子（带负电荷，Negative charge），结果各自的多数载流子向对方扩散，扩散的结果使得电子与空穴在结合区复合，则两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒（对于硅，约为0.7 V），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（图1b），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，更加不利于多数载流子的扩散运动，但有利于由于温度效应被激发的少数载流子的漂移运动，导致极小的反向电流。若干反向电压足够大，则该反向电流将达到一个饱和电流IS(<1 μA)；当PN结正偏时（图1c），外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，使势垒削弱。当外加电压大于开启电压（对于硅，约为0.5 V），势垒将被消除，多数载流子的扩散运动将持续进行，形成P→N方向的正向电流I，这就是PN结的单向导电性。

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.::实验九硅光电池特性的研究::.

图一 硅光电池实验装置全图

来源 上海交通大学物理实验中心

光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究．

.::实验预习::.

硅光电池的照度特性

     硅光电池是属于一种有PN结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P区和N区集结，使PN结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．

     （1）硅光电池的短路电流与照度关系

当光照射硅光电池时，将产生一个由N区流向P区的光生电流I_Ph，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流I_D．此电流方向从P区到N区，与光生电流相反，因此实际获得电流I为

             

   （1）

    式中V为结电压，I₀为二极管反向饱和电流，I _Ph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大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n为理想系数是表示PN结特性的参数，通常在1-2之间，q为电子电荷，k_B为波尔茨曼常数，T为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流

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硅光电池特性测试实验报告

组长：杨博       

组员：付中亮     

                     熊鹏      

                     郭晓峰     

指导教师：王凌波

实验日期：20##年10月11日

                         2012年10月16日

 提交日期：20##年11月 11 日

一、  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测试方法

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 硅光电池特性研究

【实验目的】

1． 掌握PN结形成原理及其工作原理；

2． 了解LED发光二极管的驱动电流和输出功率的关系；

3． 掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。

【实验原理】

1．  半导体PN结原理

目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳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导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池产生机理。

零偏

     反偏                                正偏

图17-1. 半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区

图17-1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组织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，使势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，这就是PN结的单向导电性，电流方向是从P指向N。

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ZKY-SAC-Ⅰ

太阳能电池特性实验仪

实验指导及操作说明书

                                                     

成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司

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20##-7-21

太阳能电池特性实验仪

能源短缺和地球生态环境污染已经成为人类面临的最大问题。本世纪初进行的世界能源储量调查显示，全球剩余煤炭只能维持约216年，石油只能维持45年，天然气只能维持61年，用于核发电的铀也只能维持71年。另一方面，煤炭、石油等矿物能源的使用，产生大量的CO₂、SO₂等温室气体，造成全球变暖，冰川融化，海平面升高，暴风雨和酸雨等自然灾害频繁发生，给人类带来无穷的烦恼。根据计算，现在全球每年排放的CO₂已经超过500亿吨。我国能源消费以煤为主，CO₂的排放量占世界的15%，仅次于美国，所以减少排放CO₂、SO₂等温室气体，已经成为刻不容缓的大事。推广使用太阳辐射能、水能、风能、生物质能等可再生能源是今后的必然趋势。

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硅光电池特性研究

光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉等。其中最受重视、应用最广的是硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件。它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。所以，它在分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等很多领域用作探测元件，得到广泛应用，在现代科学技术中有十分重要的地位。通过实验对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究，有利于了解使用日益广泛的各种光电器件。具有十分重要的意义。

[实验目的]

1．掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。

2．了解LED发光二极管的驱动电流和输出光功率的关系。

3．掌握硅光电池的工作原理及负载特性。

[实验仪器]

THKGD-1型硅光电池特性实验仪，函数信号发生器，双踪示波器。

[实验原理]

1．引言

目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳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导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。THKGD-1型硅光电池特性实验仪主要由半导体发光二极管恒流驱动单元，硅光电池特性测试单元等组成。利用它可以进行以下实验内容：

1) 硅光电池输出短路时光电流与输入光信号关系。

2) 硅光电池输出开路时产生光伏电压与输入光信号关系。

3) 硅光电池的频率响应。

4) 硅光电池输出功率与负载的关系。

2．PN结的形成及单向导电性

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39-1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。

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