硅光電池特性的研究1TKGD－1型硅光電池特性實驗儀一、實驗儀器2TKGD－1型硅光電池特性實驗儀31.PN結的形成及工作原理

當P型和N型半導體材料結合時，P型（N型）材料中的空穴（電子）向N型（P型）材料這邊擴散，擴散的結果使得結合區形成一個勢壘，由此而產生的內電場將阻止擴散運動的繼續進行，當兩者達到平衡時，在PN結兩側形成一個耗盡區。二、實驗原理4零偏負偏正偏

當PN結反偏時，外加電場與內電場方向一致，耗盡區在外電場作用下變寬，使勢壘加強；當PN結正偏時，外加電場與內電場方向相反，耗盡區在外加電場作用下變窄，勢壘削弱。52.硅光電池的工作原理

硅光電池是一個大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉化為電能。當有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發到導帶，激發出的電子空穴對在內電場作用下分別漂移到N型區和P型區，當在PN結兩端加負載時就有一光生電流流過負載。光電池結構示意圖6（1）PN結兩端的電流：

光電池處于零偏時，V＝0，流過PN結的電流I＝－IP；光電池處于反偏時（實驗中取V＝－5V），流過PN結的電流I＝－IP-Is，當光電池用作光電轉換器時，必須處于零偏或反偏狀態。

7（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關系：

R為響應率，R值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。

8L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1Isc/mA(a)硅光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線光電池的基本特性短路電流9負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。50Ω02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

100Ω1000Ω5000ΩRL=0光電池在不同負載電阻時的光照特性不同負載電阻的光照特性10（2）頻率特性光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化的關系。由于光電池PN結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。11204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池硅光電池具有較高的頻率響應硒光電池則較差硅、硒光電池的頻率響應曲線123.發光二極管（LED）的工作原理

當某些半導體材料形成的PN結加正向電壓時，空穴與電子在PN結復合時將產生特定波長的光，發光的波長與半導體材料的能級間隙Eｇ有關：λ＝hc/Eｇ發光二極管輸出光功率P與驅動電流I的關系：

P=ηEpI/e

本實驗用一個驅動電流可調的紅色超高亮度發光二極管作為實驗用光源。

13三、知識擴展1.硅光電池種類：按照制作材料的不同，硅光電池可以分成單晶硅光電池和多晶硅光電池。14（1）單晶硅光電池單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為10至20cm的圓片。國際公認最高效率為24％，空間用高質量的效率約為13.5—18％，地面用多在11—18％之間。15（2）非晶硅光電池－Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成。由于外解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1μm厚的薄膜，易于大面積化（05m×l.0m），成本較低，多采用pin結構。小面積轉換效率提高到14.6％，大面積大量生產的為8－10％，疊層結構的最高效率為21％。改善薄膜特性，精確設計光電池結構和控制各層厚度，改善各層之間界面狀態，以求得高效率和高穩定性。162.硅光電池的應用（1）作為能源使用：由于太陽能發電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優點，太陽能被認為是二十一世紀最重要的能源。太陽能是可再生能源，它資源豐富，可免費使用，無需運輸，對環境無任何污染，為人類創造了一種新的生活形態，使社會及人類進入一個節約能源減少污染的時代。現在人們對太陽能的利用已日益廣泛，它包括太陽能的光熱利用，太陽能的光電利用和太陽能的光化學利用等。17目前國內生產太陽能電池的企業主要有保定英利新能源、無錫尚德、開封太陽能電池廠、云南半導體器件廠、秦皇島華美光伏電子、浙江中意太陽能、寧波太陽能電源、京瓷（天津）太陽能等。18（2）作為光電信號轉換器使用硅光電池作為信號轉換器使用,與其它光電器件相比,有其獨特的優點。如與光電管相比,它體積小,重量輕,不怕強光,不需外加電源；與光敏電阻、硒光電池相比,它不易老化,參數穩定,光電積分靈敏度高,與光電二極管及三極管相比,