硅光电池特性测试实验

光通路组件

光调制控制输入端面光源照度计探头分光镜光电流输出端①此处可拆卸待测光器件光器件输出端滤色片光电探测器余弦校正器

图2 硅光电池光通路组件 功能说明：

分光镜：50%透过50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。 一、实验目的

1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容

1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪器

1、硅光电池综合实验仪 1个 5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 2、光通路组件 1只 6、三相电源线 1根 3、光照度计 1台 7、实验指导书 1本 4、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 8、20M 示波器 1台 四、实验原理

1、硅光电池的基本结构

零偏 反偏 正偏

图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区

2、硅光电池的工作原理

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。

当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式1确定

IIs(eeVkT1)Ip （1）式（1）中Is为饱和电流，V为PN结两端电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流。

从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于反偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系：

IpRPi (2)3、硅光电池的基本特性 (1) 短路电流

不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。 (2)开路电压 I 硼扩散层SiO2膜P型电极IIA VN型硅片PN结电极(a)(b) 不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。 ( b ) (3) 光照特性

光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的， (4)伏安特性

在硅光电池输入光强度不变时，测量当负载一定的范围内变化时，光电池的输出电压及电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。 (5)负载特性(输出特性)

在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。 (5) 光谱特性

一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为400~1100nm，峰值波长为800~900nm，由于实验仪器所提供的波长范围为400~650nm，因此，实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势 五、实验步骤

1、硅光电池短路电流特性测试

实验装置原理框图如图2-11所示。

图2-11 硅光电池短路电流特性测试

（1）组装好光通路组件，将照度计显示表头与光通路组件照度计探头输出正负极对应相连（红为正极，黑为负极），将光源调制单元J4与光通路组件光源接口使用彩排数据线相连。 （2）“光照度调节”调到最小，连接好光照度计，直流电源调至最小，打开照度计，此时照度计的读数应为0。 （3）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态”，将拨位开关S1拨上，S2，S3，S4，S5，S6，S7均拨下。

（4）按图2-11所示的电路连接电路图

（5）打开电源顺时针调节照度调节旋钮，使照度值依次为下表中 的光照度值，分别读出电流表读数，填入下表，关闭电源。

光照度（Lx） 0 光生电流（uA） 100 200 21.9 300 33.4 400 43.9 500 54.4 600 67.4 0.1 10.6

（6）上表中所测得的电流值即为硅光电池相应光照度下的短路电流。 （7）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

2、硅光电池开路电压特性测试 实验装置原理框图如图2-12所示。

图2-12 硅光电池开路电压特性测试 （1）~（5）同上 光照度0 （Lx） 光生电压78.1 （mA）

10 20 30 247 40 262 50 272 100 200 300 400 500 600 303 336 352 3 373 381 188.3 227 （6）将“光照度调节”旋钮逆时针调节到最小值位置后关闭电源。 （7）上表中所测得的电压值即为硅光电池相应光照度下的开路电压。 （8）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。

3、硅光电池光照特性

（1）根据实验1和2所调试的实验数据，作出如图2-5所示的硅光电池的光照电流电压特

100硅光电池的光生电流0性曲线。

02468硅光电池的光生电压（mA）60040020000100200300400500600700 （2）改变不同光照度的取值，重复实验1和实验2，并作出相应硅光电池的光照电流电压特性曲线。 光照度（Lx） 155 光生电流（uA） 光照度16 （Lx） 光生电223 压（mA） 16.6 25 244 237 26.3 37 262 45 272 240 37.7 62 285 488 54.5 153 324 245 344 628 70.6 274 361 751 84.8 498 373 616 382 光生电流（uA）100806040200020040060080050040030020010000光生电压（mA）200400600800 4、硅光电池伏安特性 （1）~（3）同上

（4）电压表档位调节至2V档，电流表档位调至200uA档，将“光照度调节”旋钮逆时针调节至最小值位置。

（5）按图2-13所示的电路连接电路图，R取值为200欧，打开电源顺时针调节照度调节旋钮，增大光照度值至500lx。记录下此时的电压表和电流表的读数填入下表；

（6）关闭电源，将R分别换为下表中的电阻值，重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。

电阻 0.2K 2K 电流 0.1 电压 0.1 0.4 0.1 5.1K 7.5K 10K 0.9 0.1 1.2 0.1 1. 0.1 15K 2.3 0.1 20K 3.0 0.1 25K 3.7 0.1 51K 6.9 0.1 200K 14.5 0 （7）改变光照度为100Lx、300Lx，重复上述步骤，将实验结果填入下表。 100 lx：

电阻 0.2K 2K 电压 11

300 lx：

电阻 0.2K 2K 电流 40.8 103 5.1K 7.5K 10K 201 256 285 15K 313 20K 325 25K 331 51K 343 200K 351 1.7 11 5.1K 7.5K 10K 10.9 10. 15K 163 20K 201 25K 228 8.8 51K 274 5.2 200K 297 1.5 电流 13.1 33.1 68.5 91.7 116 10.6 10.2 9.6 电压 34.2 33.9 31.9 30.2 26.2 19.6 15.5 12.7 6.5 （8）根据上述实验数据，在同一坐标轴中作出三种不同条件下的伏安特性曲线，并进行分20151050电流电压析

40030020010000。

024681012电流电压51015400350300250200150100500024681012电流电压 （9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。 5. 硅光电池负载特性测试实验 （1）~（4）同上

（5）R取值为2K欧。

（6）打开电源，顺时针调节“光照度调节”旋钮，逐渐增大光照度至0Lx，100Lx，200Lx，300Lx，400Lx，500Lx，600lx分别记录电流表和电压表读数，填入下表 光照度（lx） 0 电流（μA） 0.1 电压（mV） 0 100 10.6 32 200 22.1 67 300 32.9 98 400 44.7 134 500 55.4 168 600 67.5 204

（7）关闭电源，将R分别换为510， 1K， 5.1K， 10K重复上述步骤，分别记录电流表和电压表的读数，填入下表。 R=510欧 光照度（lx） 0 电流（μA） 0.1 电压（mV） R=1K

光照度（lx） 0 电压（mV） R=5.1K

光照度（lx） 0 电流（μA） 0.1 电压（mV） R=10K

光照度（lx） 0 电流（μA） 0.1 电压（mV）

（7）根据上述实验所测试的数据，在同一坐标轴上描绘出硅光电池的负载特性曲线,

并进行分析。

1.7 100 10.5 114 200 20.5 223 300 25.6 281 400 28.9 315 500 30.6 334 600 31.5 344 1 100 10.9 68.5 200 22 139 300 31.9 201 400 257 500 288 600 49.7 316 39．8 45.7 0.3 100 21.5 200 22.1 43 300 33.6 65 400 44.9 88 500 54.6 108 600 .3 127 电流（μA） 0．1 10.8 0.2 100 10.8 16 200 22.5 33 300 33.2 50 400 44.7 67 500 56.3 83 600 66.7 99 4003503002502001501005000100200300400500600700电流1（μA）电压1（mV）电流2（μA）电压2（mV）电流3（μA）电压3（mV）电流4（μA）电压4（mV）电流5（μA）电压5（mV） 6、硅光电池光谱特性测试 （1）组装好光通路组件。 （2）“光源驱动单元”的三掷开关BM2拨到“静态特性”，将拨位开关S1，S2，S4，S3，S5，S6，S7均拨下。 （3）将直流电源2正负极直接与电压表相连，打开电源，调节电源电位器至电压表为10V，关闭电源。

（4）按如图2-12连接电路图.

（5）打开电源，缓慢调节光照度调节电位器到最大，依次将S2，S3，S4，S5，S6，S7拨上后拨下，记下照度计读数最小时照度计的读数E作为参考。 （注意：请不要同时将两个拨位开关拨上）

（6）S2拨上，缓慢调节电位器直到照度计显示为E，将电压表测试所得的数据填入下表，再将S2拨下；

（7）重复操作步骤（6），分别测试出橙，黄，绿，蓝，紫在光照度E下电压表的读数，填入下表。 波长（nm） 基准响应度 电压（mV） 响应度 红（630） 橙（605） 黄(585) 0.65 0.36 0.23 0.61 0.35 0.21 0.56 0.29 0.16 绿（520） 蓝（460） 紫（400） 0.42 0.35 0.15 0.25 0.36 0.09 0.06 0.29 0.02 响应度0.300.200.100.0001234567响应度 （8）根据所测试得到的数据，做出硅光电池的光谱特性曲线。