E验九硅光电池特性的研究_大学物理实验.doc

.: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IPh，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流ID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，kB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 （2）硅光电池短路电流与照度特性见图1（2）硅光电池的开路电压与照度关系当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压（3）硅光电池开路电压与照度特性见图12硅光电池的负载特性当硅光电池接上负载R时，硅光电池工作可以在反向偏置电压状态或无偏压状态它的伏安特性见图2由图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；（2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流IPh，在电压轴上的截距即为开路电压VOC 图2硅光电池的光谱响应 图3为硅光电池的光谱特性曲线 即相对灵敏度Kr 和入射光波长l 的关系曲线从图3中可看出，硅光电池的有效范围约在4501100 nm之间实验室给出六种不同的滤色片，透过各滤色片光的波长见表1表1 滤色片波长值深红红橘红淡黄绿蓝670.0nm633.0nm589.0nm532.0nm514.0nm470.0nm（1）实验中所用光源为发光二极管，二极管发出的光再打在荧光粉上发出白光，其各谱线所对应的光强与波长有关，本实验中所用光源的相对光强与波长l关系写在桌子上的表格上面表2 光源的波长所对应的相对光强 波长(nm)670.0633.0589.0532.0514.0470.0光强5.8713.3523.0421.5718.3577.7（2）实验室给出的各种波长滤色片的波长并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值表征宽度通常是用半带宽表示，滤色片的峰值透射率用T表示，各个波长滤色片的和T并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T及半带宽已附在各组实验仪器上（3）硅光电池的灵敏度K为（4）P(l)为硅光电池测得的光强，可用硅光电池的输出电压或电流表示。硅光电池的相对灵敏度Kr为（5）Km为不同波长对应K（l）的最大值4实验中，光源的能量主要集中在红外区域，本实验所用的偏振片对红外不起偏，因此要选择合适的滤色片滤掉红外光，才能进行验证马吕斯定律的实验内容.:实验仪器:.【实验仪器】硅光电池、光学导轨及支座附件，光源，聚光透镜，比色槽，数字万用表，多圈电位器，滤色片，偏振片，照度计 滤色片.:思考题:. 1实验中所用光源的电压发生变化，表二所提供的参数是否发生变化？提示：实验中所用的光实际上是二极管直接发出的光打到荧光粉上，然后发出的荧光，相对光强的分布，应该取决于荧光粉的性质，和所加的电压没有关系。所以，所用光源的电压变化，表二提供的参数应该不发生变化。 2硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明提示：有。入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程是需要反应时间的。这个时间延迟可以用实验来证明。事实上，在光通信网络中，由于光电信号的转换造成的瓶颈已经是这个现象的验证了。只不过，那里用的都是光电接收器，而这里是作为电池的硅。原理是一样的。 3动态电阻与通常的电源内阻是否是同一概念？ 提示：不是。二者是完全不同的概念。 “动态电阻”定义为二极管在任意一个工作点处，电压相对于电流的导数。一般而言，工作点改变时，动态电阻也跟着改变，这就是之所以叫做动态电阻的原因。在VI特性曲线中，动态电阻是曲线的斜率。 而普通的电源内阻，是说电源内部存在电阻，所以电流流过电源时，电压除了升高一个电动势外，还会有一个电压降。 4设计一个测量高锰酸钾溶液浓度与透射率关系的实验装置。如上图所示，支架上的柱状玻璃容器内，存有溶液。让激光器打出的光，通过溶液，再用照度记测量出射的光。更换浓度不同的溶液，探测