光伏效應檢測器件——光電池，光敏二、三極管特性測試

  實驗目的

  通過對典型光伏器件——硅光電池、硅光電二極管和光電三極管的特性參數的測量，使同學們進一步理解硅光伏器件的原理、特性及其基本使用方法。

  實驗內容

  (1)作出光電池的V_LS、I_LS及P隨R_L變化的曲線，找出其最佳負載電阻。

  (2)畫出典型光伏器件——硅光電池、硅光電二極管和光電三極管的輸出特性曲線。

  (3)畫出硅光電池、硅光電二極管和光電三極管的光照特性曲線。

  實驗原理

  半導體光伏檢測器件的核心是PN結的光電效應，PN結光電池與光電二極管是最簡單的半導體光電檢測器件。

  下圖(a)所示是一個未加電壓的PN結，它是一個由不可移動的帶正、負電荷的離子組成的耗盡層，或稱作勢壘區。當以適當波長的光照射PN結時，P型和N型半導體材料將吸收光能。如果光子能量hf≥E_g時，則光子將被吸收，使價帶中的電子受激躍遷到導帶中，而在價帶中留下空穴，如圖(b)所示。這一過程稱為光吸收。因光照射而在導帶和價帶中產生的電子和空穴稱為光生載流子。

 

 

  產生在耗盡層的光生載流子在內建場的作用下作漂移運動：空穴向P區方向運動；電子向N區方向運動，它們在PN結的邊緣被收集。另外，耗盡層外的光生少數載流子會發生擴散運動：P區中的光生電子向N區擴散；N區中的光生空穴向P區擴散。在擴散的同時，一部分光生少數載流子將被多數載流子復合掉。由于這些區域的電場很小，甚至可以稱為無場區，光生少數載流子在這些區域擴散速率較慢，只有小部分能擴散到耗盡層，繼而在內建場的作用下分別快速漂移到對方區域。這樣，在P區就出現了過剩空穴的積累，N區出現了過剩電子的積累，于是在耗盡層的兩側就產生了一個極性如圖(c)所示的光生電動勢。這一現象稱為光生伏特效應。產生于耗盡層的電子和空穴也要產生光生伏特效應。基于這一效應，如果將PN結的外電路構成回路，則外電路中會出現信號電流。這種由光照射激發的電流稱為光電流。

  當光電池兩端接某一負載R_L時，設流過R_L的電流為I_LS，其上的電壓降為U_LS，則R_L上產生的電功率為

  P_L=U_LS·I_LS

  P_L與入射光功率之比稱為光電池的轉換效率η。下圖表示輸出電壓U_LS、輸出電流I_LS、輸出功率P_LS隨負載R_L變化關系的曲線。

 

  從圖看出，U_LS隨R_L加大而升高。當R_L為∞時，U_LS等于開路電壓U_oc；R_L為低阻時，I_LS趨近于短路電流I_sc，當R_L=0時，I_LS=I_sc。隨著R_L變化，輸出功率P_L也變化，當R_L=R_M時，P_L為最大值P_M，即在負載電阻上獲得最大功率輸出，此時的負載電阻R_M稱為最佳負載電阻。在把光電池作為換能器件時，應按此點考慮。但值得注意的是，即使對同一光電池，如照度不同，R_M也會不同。

  此外，從下圖光電池的伏安特性曲線上，也可表示出輸出功率的大小。R_L負載線就是過原點斜率為的直線，該直線與特性曲線交于P_L點，P_L點在I軸和U軸上投影為輸出電流I_L和輸出電壓U_L，輸出功率P_L等于矩形OI_LP_LU_L的面積。若過U_oc和I_sc作特性曲線的切線，它們相交于P_Q點，連結P_Q點和原點O的直線也就是最佳負載線，最佳負載電阻為R_M。該直線與特性曲線交于P_M，最大輸出功率P_M等于矩形OI_MP_MU_M面積，此時流過負載R_M上的電流為I_M，R_M上的壓降為U_M。

 

  因此，光電池的輸出特性曲線，是指在一定光照下與它所連接的負載R_L兩端的電壓U_L和通過R_L的電流I_L的關系曲線。當光電池輸出端開路時測得兩端輸出電壓為開路電壓U_oc；當輸出端短路時通過的電流為短路電流I_sc。

  光電二極管的輸出特性曲線是指對應于不同的照度下，U_L與I_L的變化關系曲線。

  光電三極管的輸出特性曲線是指對應于不同的照度下，U_ce與I_c的變化關系曲線。

  在不同的入射光照度下，光電二極管和光電三極管的光電流。以及光電池的開路電壓和短路電流均將隨之變化。

  實驗使用的儀器和器材

  (1)照度計  一臺

  (2)鎢絲燈光源  一座

  (3)直流穩壓電源  一臺

  (4)萬用表或數字電壓表一臺

  (5)微安表  一個

  (6)標準光源箱

  (7)標準電阻箱

  (8)硅光電池(2CR型)、硅光電二極管(2CU型)、硅光電三極管(3DU型)各一個。

  (9)電阻100Ω、510Ω、3kΩ各一支。

  實驗線路

  硅光器件的最基本的使用線路如下圖所示。

 

  在不同的入射光照度下，光電二極管和光電三極管的光電流。以及光電池的開路電壓和短路電流均將隨之變化。

A、光照特性是指光電二極管的光電流與照度之間的關系曲線。

B、以等功率的不同單色輻射波長的光作用于光電二極管時，其響應程度或電流靈敏度與波長的關系稱為光電二極管的光譜響應。

C、硅光電二極管的時間響應主要取決于光生載流子的渡越時間、負載RL和結電容Cj的和。

D、當入射光照度一定時，光電二極管輸出的光電流與偏置電壓的關系即為光電二極管的伏安特性。

A、被電池上表面反射回去。

B、在電池表面就被吸收，產生光生載流子。

C、在PN結附近被吸收，產生的光生載流子會被內建電場分離和收集。

D、沒有被電池吸收，直接透射出去。

寧夏在()邊緣引進太陽能光伏組件制造、設備生產、光伏電站等企業，形成了“硅料+硅片+光伏組件+光伏發電”的全產業鏈發展模式，打造沙漠里的太陽能“硅谷”。

A.騰格里沙漠

B.塔克拉瑪干沙漠

C.古爾班通古特沙漠

D.巴丹吉林沙漠

光伏板組件是一種暴露在陽光下便會產生直流電的發電裝置，由幾乎全部以晶體硅材料制成的薄身固體光伏電池組成。( )

A.對

B.錯