KJ硅光电池特性的研究解析.ppt

TKGD－1型硅光电池特性实验仪 1.PN结的形成及工作原理 当P型和N型半导体材料结合时，P 型（ N型）材料中的空穴（电子）向N 型（ P 型）材料这边扩散，扩散的结果使得结合区形成一个势垒，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。 零偏 负偏 正偏当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，耗尽区在外加电场作用下变窄，势垒削弱。 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，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于价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。 （1） PN结两端的电流： 光电池处于零偏时，V＝0，流过PN结的电流I＝－IP ；光电池处于反偏时（实验中取V ＝－5V），流过PN结的电流I ＝－IP- Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。 （2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系： 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。 3.发光二极管（LED）的工作原理 当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时，空穴与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eｇ有关： λ＝h c / Eｇ 发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系： P = ηEp I/ e 本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。 三、知识扩展 1.硅光电池种类： 按照制作材料的不同，硅光电池可以分成单晶硅光电池和多晶硅光电池。 （1）单晶硅光电池 单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为 ?10至 20cm的圆片。 国际公认最高效率为24％，空间用高质量的效率约为13.5—18％，地面用多在11—18％之间。 （2）非晶硅光电池 ?－Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成。由于外解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化（05 m×l.0 m），成本较低，多采用pin结构。 小面积转换效率提高到 14.6％，大面积大量生产的为8－10％，叠层结构的最高效率为21％。 改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。 2.硅光电池的应用 （1）作为能源使用： 由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。太阳能是可再生能源，它资源丰富，可免费使用，无需运输，对环境无任何污染，为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。现在人们对太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。 目前国内生产太阳能电池的企业主要有保定英利新能源、无锡尚德、开封太阳能电池厂、云南半导体器件厂、秦皇岛华美光伏电子、浙江中意太阳能、宁波太阳能电源、京瓷（天津）太阳能等 。 （2）作为光电信号转换器使用 硅光电池作为信号转换器使用, 与其它光电器件相比, 有其独特的优点。如与光电管相比, 它体积小, 重量轻, 不怕强光, 不需外加电源；与光敏电阻、硒光电池相比, 它不易老化, 参数稳定, 光电积分灵敏度高,与光电二极管及三极管相比, 价格较廉, 线路简单。 * * * * 一、实验仪器 TKGD－1型硅光电池特性实验仪 二、实验原理 光电池结构示意图 L/klx ? ? 5 4 3 2 1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2 4 6 8 10 开路电压 Uoc /V 0.1 0.2 0.3 0.4 ? 0.5 0.3 0.1 Isc/mA (a) 硅光电池 （1）光照特性 开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线 短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线 光电池的