硅光电池特性的研究

硅光电池可将太阳能直接转换成电能，转换效率高达10％甚于20％以上。所以应用十分广泛，例如缺少常规电能的农、牧区、高山、大海上的航标、通讯电源、人造卫星上的电能板等等。它作为光电信号转换器件，在光电检测、自动控制、计算机输入、输出设备中被广泛应用。

实验目的

1、了解硅光电池的工作原理和主要参数；

2、测量硅光电池的输出特性。

仪器照片

实验原理

一、硅光电池结构和组成原理

如图1：薄片式，银丝电极的硅光电池是普通n/p型结构，它是用扩散法在n型硅层底上形成P型，制成大面积P-N结，再用真空蒸发镀膜或溅射镀膜或化学沉积法在P层上面淀积成集聚光电流的金属(银)栅利引线以作为欧姆电极。在整个背血也沉积金属层以作儿负欧姆儿极。在整个表面还覆盖—层透光和保护的减反射膜。

图1 光电池结构（a 正方形，b 圆形）

当一定波长λ的光(或各种波长的光)射入硅块时价带电子吸收光子后产生电子—空穴对。在电池两端为开路的情况下，被分离的光生载流子分别积累在n区和P区，建立起以P区为正，n区为负光生电动势(常称为光生伏特电压)：如果在电池两端接上负载，在光的持续照射下就会有光电流源源不断地从p端流入n端形成电流回路。

二、无光照下的（暗）特性

p-n结的伏安特性如图二所示：10×10mm²的方形某光电池；在-20V～0区内，其反向电阻R>18KΩ，而在0～1.3V区从数百欧姆逐降至数欧姆。再增大U值时R更小，所以可当整流二极管对待。

图2 N-Si硅光电池的暗特性（a 电路图，b 特性曲线）

三、光照下的有源伏安特性

电路图如图三（a），特性曲线如图三（b）。

  图3 (a)                         图3(b)

因为有光生伏特效应，所以，在一定强度的光照下，当外加电压U为0伏特时，I<0（例如：-2.6mA），当接通开关逐渐增大外加电压，在其与光生伏特值U₀相等时，I=0(U₀≈0.4V)。进一步增大时，I值按指数规律迅速上升，关系如图三（b）其变化规律可用下式表示：

式中I₀为“反相饱和”电流值，e为电子电量，K为玻尔兹曼常数，T为室温的（开氏）绝对温标值。

将图二的暗特性曲线移在同一张图三(b)上相比较，如虚线所示，其性状是相似的。

四、光照下，无（电）源的伏安特性。

如图四：光照在光电池时就形成光生伏特电压U(V)，短接上电流表以后，就有电流源源不断地流通。由于光电池有—定的内阻R_i，所以，增加光照强度，则U、I同时都有增加，由此。可测出光照下的短路伏安特性，如图五所示：并由此测出光电池在稳定工作条件下的内阻R_i。

图4  光照下的短路特性                  图5 短路伏安特性

如果不断地继续增加光强L，则光电流I将随之增加：而光生电势U则逐渐饱和，如图六所示，我们的N-Si硅光电池能在很大光强下(例如五倍于日光直射的照度下)尚未达到饱利；这给运用能带来很多方便，不用担心被烧焦(例如用常规的He-Ne激光束直接照射等等)，作为教学和使用。我们仅只求出其内阻R_i备用即可。

五、光电池的负载特性：

如图七：光电池的电流回路上串在一可变负载R，在光照强度一定下。将R值从O逐渐变大：则可得出如图八的负载输山特性曲线。

  图6  光照饱和特性（示意图）              图7  负载伏安特性实验电路

 图8  负载（输出）特性曲线                图9  功率P随U的变化  

在曲线上任一点，其UI值即为该工作点的输出功率值P=UI。

以U为横坐标，以P为纵坐标作出图九，其Pmax值即为最大功率输山值。而与之对应的U_opt值，即为此硅光电池在与之相应的(额定)负载R值下的最佳工作点，(电流也随之而被确定)。

实际应用中恰恰是反顺序的。即先由工作负载对电源的电压、电流的要求，来决定对硅光电池的组合。即从以上对单片硅光电池的研究中，我们总可以用串串、并并的办法来恰当地满足应用中对电源的要求。

为了能在无光条件，电器能连续工作，常并接一个适当的蓄电池，无光时蓄电池继续供电；用电器停用时，光电池电源则对蓄电池充电。在光电池和蓄电池之间，正向电阻小，反向电阻大，所以已相当于一个二极管，如嫌反向电阻不够大，还可以再串接—个高效能的二极管。

实验要求

1、测出不同光照强度下硅光电池的开路电压和短路电流

调节好硅光电池的角度刻线，使角度 时，光强最小。保持硅光电池与投光灯的距离不变，旋转硅光电池，分别记下 、 、 、 、 、 、时的开路电压和短路电流；

2、保持光照一定，将负载电阻模板正确接入到电路中，测出光电池的负载特。

3、在坐标纸上作出 、 及P-R曲线，求出最大输出功率 及最佳工作点。

§思考题

1、硅光电池的有源内阻与常用电源的内阻有何异、同？