硅光电池实验.docx
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硅光电池实验
本科学生综合性实验报告
学号114090523姓名罗朝斌
学院物电学院专业、班级光电子11
实验课程名称硅光电池特性实验
教师及职称李宏宁
开课学期2013至2014学年下学期
填报时间2014年6月14日
云南师范大学教务处编印
实验序号
二
实验名称
硅光电池特性实验
实验时间
2014年6月9日
实验室
同析三209
一、实验目的
1、了解光电池的工作原理、使用方法和应用；
2、掌握光电池的光照特性及其测试方法；
3、掌握光电池的伏安特性及其测试方法；
4、掌握光电池的光谱特性及其测试方法；
5、掌握硅光电池的时间响应特性及其测试方法。
二、实验内容
1、硅光电池短路电流的测量；
2、硅光电池开路电压的测量；
3、零偏、反偏时光照-电流特性测量；
4、硅光电池光电特性测量；
5、硅光电池伏安特性测量；
6、硅光电池光谱特性测量；
7、硅光电池时间响应特性测量。
三、实验仪器
光电技术创新综合实验仪一台
硅光电池实验模块一块
光源输出及测量实验模块一块
连接导线若干
四、实验原理
1、光电池的结构和原理
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。
光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。
图1是硅光电池原理图，其中（a）为结构示意图，（b）为等效电路。
图1硅光电池原理图
2、光电池的特性参数
2.1光照特性
这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。
入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律，如下图所示。
图2光电池的入射光强-电流电压特性曲线
VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。
光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作
，它与入射光强不再成线性关系，
相对光电池内阻
越大，线性范围越小，如下图所示：
图3光电池的入射光强-电流-负载特性曲线
入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。
如下图所示：
图4光电池的入射光强-负载特性曲线
当RL＜＜Rd时，可近似看做短路，输出电流为ISC，与入射光强成正比，RL越小，线性度越好，线性范围越大。
当RL为∞时，可近似看做开路，输出电压为VOC。
随着RL的变化，输出功率也变化，当
时，输出功率最大，RM称最佳负载。
2.2光谱特性
光电池的光谱特性取决于所采用的材料。
硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，它适宜于测量可见光。
如果硒光电池与适当的滤光片配合，它的光谱灵敏度与人眼很接近，可用它客观的决定照度。
硅光电池可以应用的范围是400~1100nm。
峰值波长在850nm附近。
光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关，也和制造工艺有关，并且随使用温度的不同而有所移动。
2.3伏安特性
无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。
有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。
曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。
图5给出了硅光电池的伏安特性曲线。
它表示负载为电阻时，受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。
负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点M为工作点。
负载电阻RL从硅光电池获得的最大功率为Pm＝Ｉm·Um。
图5光电池的伏安特性曲线
五、实验注意事项
1、连线之前要保证电源关闭；
2、打开电源之前，将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值；
3、若照度计、电流表或电压表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
六、实验步骤
组装好光源、遮光筒和硅光电池结构件探头，如下图所示：
图6光路结构示意图
1、硅光电池短路电流的测量
图7偏置电路
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。
拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。
J1连接电流表的正极，J2连接电流表的负极，测出50Lx照度下的短路电流（电路图如下图所示）；
图8短路电流测量电路
5）重复以上方法，测出照度为100Lx……400Lx时的硅光电池的短路电流，将数据填入表1；
表1
光照度（Lx）
50
100
150
200
300
400
光生电流（μA）
0.36
0.68
1.00
1.35
2.11
2.75
6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—短路电流特性曲线。
2、硅光电池开路电压的测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，将J14接GND；
J6连接J13，将光照度调为0。
按下开关K1和K2，用示波器测量TP3点的电压，调节W1使TP3点电压为0；
4）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。
打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。
将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，将J14接GND，J6连接J13。
按下开关K1和K2，用示波器测量TP3点的电压U；
5）重复以上方法，测出照度为100Lx……400Lx时TP3点的电压U，将数据填入表2；
表2
光照度（Lx）
50
100
150
200
300
400
U（mV）
245
254
261
265
274
280
6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—开路电压特性曲线。
3、零偏、反偏时光照-电流特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示200Lx。
拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。
将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔连接电流表的正极，电流表的负极串接一个5.6K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）到J2。
将结果记录到表3中；
5）拆掉电流表负极和RL1的连接，将电流表负极连接实验仪主板可调电压的GND2插孔，0-12V2插孔与RL1相连。
电压表正负极分别与0-12V2插孔、GND2插孔相连。
顺时针旋转电压调节旋钮，使其为2V，记录该偏压下硅光电池的光电流值，填入表3中；
图11零偏、反偏电路
6）重复以上方法，测出偏压分别为4V、6V、8V、10V时硅光电池的光电流，将数据填入表3；
表3
偏压（V）
0
-1
-2
-3
-4
-5
-6
-7
-8
-9
-10
光生电流（μA）
1.88
1.89
1.89
1.89
1.89
1.90
1.90
1.95
2.07
2.14
2.17
7）关闭电源开关，照度值调至最小，作出200Lx光照度下的光电流-偏压曲线；
4、硅光电池光照特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。
拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。
将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔串接一个4.7K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）再串接电流表到J2。
将结果记录到表4中；
图12硅光电池光照特性电路
5）将负载Ｒ换成分别换成RL2、RL3、RL4，分别记录电流表的读数，填入表4；
6）重复以上方法，分别测量光照度为100Lx、200Lx、300Lx下的光电流值，并记录。
关闭电源；
表4
电流值负载
照度值
4.7Ｋ（RL1）
10Ｋ（RL2）
47Ｋ（RL3）
100Ｋ（RL4）
50Lx
0.92
0.92
0.92
0.90
100Lx
1.23
1.23
1.23
1.21
200Lx
1.82
1.82
1.81
1.67
300Lx
2.40
2.40
2.35
1.93
7）作出光电池的电流随负载变化的电流-负载特性曲线。
5、硅光电池伏安特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。
拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。
将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔串接一个4.7K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）再串接电流表到J2。
电压表正极连接J1，负极连接J2。
记下50Lx光照度下的光生电压值和光生电流值，填入表5；
图13硅光电池伏安特性电路
5）重复以上方法，测量照度分别为100Lx、200Lx、300Lx下的光生电压值和光生电流值，填入表5；
表5
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
0.42
0.99
1.59
2.30
电压（mV）
6
14
24
34
6）作出光电池在负载阻值为4.7KΩ时的V-I曲线；
7）改变负载大小RL2、RL3、RL4，分别记录电压表和电流表的读数，并填入表6、7、8、9；
8）作出这四种不同负载下硅光电池的V-I特性曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析；
表6
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
0.85
1.21
1.81
2.44
电压（mV）
17
24
36
49
表7
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
0.84
1.26
1.90
2.48
电压（mV）
48
71
107
140
表8
光照度（Lx）
50
100
200
300
电流（μA）
0.33
0.60
1.77
1.98
电压（mV）
36
65
193
216
四种不同负载下硅光电池的V-I特性曲线：
分析：
电阻越大，硅光电池负载特性越好。
照度一定时，电阻阻值越大电流越小。
电阻越大，硅光电池负载特性越好。
照度一定时，电阻阻值越大电压越高。
（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
6、硅光电池光谱特性测量
实验方法与短路电流测试方法基本一样，不同点就是光源采取全彩灯光源，光源及测量模块的航空插座FLED-IN与全彩灯光源套筒后端盖航空插座对应插接。
打开光源及测量实验模块电源开关K1，将光源及测量实验模块的S1，S2，S3开关向下拨，通过控制K2、K3、K4开关，调节光源颜色和光强大小。
在相同照度（100Lx）下，测得光电流，填入表9，并作出曲线。
实验完毕，拆除所有连线。
将光照度调节旋钮都逆时针旋到底。
表9
光源颜色
光电流I（μA）
照度（Lx）
红
绿
蓝
黄
青
紫
50
0.31
0.31
0.25
0.21
0.25
0.26
3．实验总结
1）讨论
分析硅光电池零偏和负偏的区别？
答：
硅光电池原理上其实是一个二极管。
在检测光照或光强的时候，这个二极管在电路中是反接的，处于截止状态的，有光照的时候，会产生电流，在没有光照时候，近乎可以认为是没有电流的。
因此，在零偏的时候，理论上，该电池是在工作的，但实际你没有办法检测电流（负载是无限大的），实际工作时候，需要在负偏状态下进行的。
2）总结
通过此次实验，我们了解到了光敏电阻，光电池，光电二极管等光电器件的结构，特性，和工作原理，认识到了光电器件在不同环境下的性质变化以及他们的基本运用，掌握了不少光电探测器件使用的知识。
在此感谢老师的指导和教诲，我们一定会继续努力学好光电探测，多动脑筋多思考，多动手多实践，认真学习理论知识，以应对社会的发展，满足企业的需要，争取做出成绩来，回馈母校，回报社会！
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