硅光电池特性的研究实验报告.docx

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硅光电池基本特性的研究
太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能 接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下， 可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转 换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因 此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质 和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实 用价值。
［实验目的］
.测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线；
.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流/葭、开路电压 Uoc、最大FF
.测量太阳能电池的短路电流/及开路电压U与相对光强J/Jo 的关系，求 出它们的近似函数关系；
［实验原理］
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应 用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原 理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理、光电效应理论和光伏电池 产生机理。
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图2-、反偏，正偏下的耗尽区
图2-1是半导体PN结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区，当P型和N型半导 体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向X型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散， 扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，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，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。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，耗尽区在外电场作用下变窄，
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势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性，电流方 向是从P指向N。
2、硅光电池的工作原理
太阳能电池能够吸收光的能量，并将所吸收光子的能量转化为电能。这一能
量转换过程是利用半导体P-N结的光伏效应(Photovoltaic Effect)进行的。在 没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管，其正向偏压U与通过 电流I的关系式为：
/ = , (1)
(1)式中，Io和B是常数。其中，/、U为P-N结二极管的电流及电压，k为 波尔兹曼常数( 〃K), q为电子电荷量( 库仑)，T为绝 对温度，Io是二极管的反向饱和电流，是理想二极管参数，"
nKT
由半导体理论，二极管主要是由能隙为EC —EV的半导体构成，如图1所示。 EC为半导体电带，EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会 被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的 影响而产生光电流。
e电子
0空穴
价电带
导电带
假设