硅光電池基本特性的研究太陽能是一種清潔能源、綠色能源，許多國家正投入大量人力物力對太陽能接收器進行研究和利用。硅光電池是一種典型的太陽能電池，在日光的照射下，可將太陽輻射能直接轉換為電能，具有性能穩定，光譜范圍寬，頻率特性好，轉換效率高，能耐高溫輻射等一系列優點，是應用極其廣泛的一種光電傳感器。因此，在普通物理實驗中開設硅光電池的特性研究實驗，介紹硅光電池的電學性質和光學性質，并對兩種性質進行測量，聯系科技開發實際，有一定的新穎性和實用價值。[實驗目的]1．測量太陽能電池在無光照時的伏安特性曲線；2.測量太陽能電池在光照時的輸出特性，并求其的短路電流ISC、開路電壓UOC、最大FF3.測量太陽能電池的短路電流I及開路電壓U與相對光強J/J0的關系，求出它們的近似函數關系；[實驗原理]1、硅光電池的基本結構目前半導體光電探測器在數碼攝像﹑光通信﹑太陽電池等領域得到廣泛應用，硅光電池是半導體光電探測器的一個基本單元，深刻理解硅光電池的工作原理和具體使用特性可以進一步領會半導體PN結原理﹑光電效應理論和光伏電池產生機理。零偏反偏零偏反偏正偏圖2-1.半導體PN結在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區圖2-1是半導體PN結在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗盡區，當P型和N型半導體材料結合時，由于P型材料空穴多電子少，而N型材料電子多空穴少，結果P型材料中的空穴向N型材料這邊擴散，N型材料中的電子向P型材料這邊擴散，擴散的結果使得結合區兩側的P型區出現負電荷，N型區帶正電荷，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，耗盡區的特點是無自由載流子，呈現高阻抗。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，耗盡區在外電場作用下變窄，勢壘削弱，使載流子擴散運動繼續形成電流，此即為PN結的單向導電性,電流方向是從P指向N。2、硅光電池的工作原理太陽能電池能夠吸收光的能量，并將所吸收光子的能量轉化為電能。這一能量轉換過程是利用半導體P-N結的光伏效應（PhotovoltaicEffect）進行的。在沒有光照時太陽能電池的特性可簡單的看作一個二極管，其正向偏壓U與通過電流I的關系式為：，(1)式中，I0和β是常數。其中，I、U為P-N結二極管的電流及電壓，k為波爾茲曼常數（1.38×10J/K），q為電子電荷量（1.602×10庫侖），T為絕對溫度，Io是二極管的反向飽和電流，是理想二極管參數，由半導體理論，二極管主要是由能隙為EC－EV的半導體構成，如圖1所示。EC為半導體電帶，EV為半導體價電帶。當入射光子能量大于能隙時，光子會被半導體吸收，產生電子和空穴對。電子和空穴對會分別受到二極管之內電場的影響而產生光電流。圖1假設太陽能電池的理論模型是由一理想電流源（光照產生光電流的電流源）、一個理想二極管、一個并聯電阻與一個電阻所組成，如圖2所示。圖2圖2中，為太陽能電池在光照時該等效電源輸出電流，為光照時，通過太陽能電圖2-7硅光電池負載特性的測定[實驗儀器]光具座、滑塊、白熾燈、太陽能電池、光功率計、遮光罩、電壓表、電流表、電阻箱、導線等[實驗內容]1.在沒有光源（全黑）的條件下，測量太陽能電池正向偏壓時的I－U特性（直流偏壓從0—3.0V）。（1）設計測量電路圖，并連接。圖1（2）利用測得的正向偏壓時I－U關系數據，畫出I-U曲線并求出常數和的值。2、在不加偏壓時，用白色光源照射，測量太陽能電池一些特性。注意此時光源到太陽能電池距離保持為20cm。（1）設計測量電路圖，并連接。圖2（2）測量電池在不同負載電阻下，I對U變化關系，畫出I－U曲線圖。（3）求短路電流和開路電壓。（4）求太陽能電池的最大輸出功率及最大輸出功率時負載電阻。（5）計算填充因子3、測量太陽能電池的光照效應與光電性質。在暗箱中（用遮光罩擋光），取離白光源20cm水平距離光強作為標準光照強度，用光功率計測量該處的光照強度J0；改變太陽能電池到光源的距離x，用光功率計測量該處的光照強度J，求光強J與位置X關系。測量太陽能電池接受到相對光強度J/J0不同值時，相應的和的值。(1)設計測量電路圖，并連接。(2)測量太陽能電池接受到相對光強度J/J0不同值時，相應的和的值。(3)描繪和與相對光強J/J0之間的關系曲線，求和與相對光強J/J0之間的近似關系函數。(4)描繪和與相對光強J/J0之間的關系曲線，求和與相對光強J/J0之間的近似關系函數。[注意事項]1．實驗測試結果會受到實驗室雜散光的影響，使用中盡量保持較暗的測試環境。2．連接電路時，保持電源開關斷開，以免發生觸電事故。3.改變負載電阻，測量相應的負載電流時，適當安排測量點的分布：在估算的最佳負載電阻值附近的測量點應密，其他測量點可疏。4.由于各臺儀器使用的太陽能電池光電轉換效率、白熾燈的發射光譜存在一定的個體差異，而且實驗儀器所處的環境亮度不盡相同，這類因素均可能導致各臺儀器之間測量結果存在一定差異，但并不影響物理規律的反映。[問題與討論]（1）如何確定硅光電池的內阻？其大小與哪些因素有關？（2）實驗時光源的相對強度發生了變化，對測量結果有何影響？（3）什么是最佳匹配電阻？對給定的硅光電池如何確定其最佳匹配電阻？參考資料[1]楊述武,趙立竹,沈國土.普通物理實驗(3)·光學部分