上海交通大学物理实验报告（大二上）硅光电池特性的研究.docxVIP

硅光电池特性的研究【实验目的】了解硅光电池的工作原理及其应用。研究硅光电池的主要参数和基本特性。【实验原理】硅光电池的照度特性 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，同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流。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为式中V为结电压，为二极管反向饱和电流，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，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）式可得到短路电流硅光电池短路电流与照度特性见图1。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， 由上两式可得开路电压硅光电池开路电压与照度特性见图1。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：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）；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，在电压轴上的截距即为开路电压。实验电路图【实验数据记录、实验结果计算】1、硅光电池的照度特性实验(1) 开路电压与照度的关系照度15651284860713587452382301241U(v)0.350.350.340.330.330.320.320.310.31照度2011811651289972563926U(v)0.300.300.290.290.280.270.260.250.23(2) 短路电流与照度的关系照度10866253111891377845I(A)4923117531.7Origin 作图如下：从上图可以看出，随着照度的增加，硅光电池的开路电压逐渐上升并趋于平缓，而短路电流则是线性上升的，这与书中的理论图相差不多。2、硅光电池的伏安特性实验Alpha=0U(mV)365363361358354346335328304284271I (A)03.65.37.29.414.120.824.636.644.549.0U2512322202051741529261190-0.28I53.756.557.859.060.360.861.461.561.661.661.6U-0.52-0.93-1.15-1.37-1.65-2.06-2.24-2.48-2.73-3.02I61.661.761.761.861.861.961.961.961.961.9Alpha=30U357356355352350347342337330313294I07.17.69.510.812.514.917.821.730.438.1U27824620817115012581180-0.38-0.59I43.650.454.055.455.855.956.156.256.356.456.4U-0.84-1.16-1.50-1.75-1.86-2.02-2.36-2.59-2.87-3.01I56.556.556.556.556.556.656.656.656.656.7Origin 作图如下：从图中可以看出，硅光电池在反偏工作区内，电流几乎不随电压的改变而改变，而在无偏区工作时，只有当RL较小时，电流比较稳定，而当RL较大时，电流与电压呈非线性关系。【对实验结果中的现象或问题进行分析、讨论】1、照度特性研究实验中改变照度的方法有很多，比如可以通过改变光源到硅光电池的距离，但是注意这时必须要求光源必须是点光源，不能使平行光，否则不满足距离反比。2、通过改变偏振片改变光照强度的方法，为了使照度尽量大，可以先通过透镜将其聚光。3、照度特性研究的实验中两组数据都近似为线形，是因为在低照度的情况下都近似为线性。实验所得数据V/I近似为一常数可能是由于电流表内阻过大造成的，这时使用替代法是一个很好的选择，可以尽可能的减少精度误差。4、硅光电池对光比较敏感。实验时应尽量保持外界光照条件一样。5、硅光电池的光谱响应实验中最大的灵敏度对应的波长范围大概为1000nm左右，而实验中的最大为300左右，因此只能看到特性曲线中的一段。6、误差分析：从上面的实验数据分析中可以看出，我的两个实验结果图与书中的理论图比较相似，但是还是有一定的误差，我将误差归结于一下几点： (1) 仪器表面灰尘的影响(2) 周围手电筒对光照的影响(3)照度计与硅光电池反复更换而引起的误差(4)电路中的各个原件并非都是理想的【思考题解答】1.请利用硅光电池的伏安特性实验数据分析总结