硅光电池特性实验
一、实验目的
1、了解光电池的工作原理、使用方法和应用；
2、掌握光电池的光照特性及其测试方法；
3、掌握光电池的伏安特性及其测试方法；
4、掌握光电池的光谱特性及其测试方法；
5、掌握硅光电池的时间响应特性及其测试方法。
二、实验内容
1、硅光电池短路电流的测量；
2、硅光电池开路电压的测量；
3、零偏、反偏时光照-电流特性测量；
4、硅光电池光电特性测量；
5、硅光电池伏安特性测量；
6、硅光电池光谱特性测量；
7、硅光电池时间响应特性测量。
三、实验仪器
光电技术创新综合实验仪 一台
硅光电池实验模块 一块
光源输出及测量实验模块 一块
连接导线 若干
四、实验原理
1、光电池的结构和原理
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的，它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图1是硅光电池原理图，其中(a)为结构示意图，(b)为等效电路。
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图1 硅光电池原理图
2、光电池的特性参数
2.1 光照特性
这里讨论光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。
入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律，如下图所示。
图2 光电池的入射光强-电流电压特性曲线
VOC随入射光强按对数规律变化，ISC与入射光强成线性关系。
光电池用作探测器时，通常是以电流源形式使用，总要接负载电阻RL，这时电流记作，它与入射光强不再成线性关系相对光电池内阻越大，线性范围越小，如下图所示：
图3 光电池的入射光强-电流-负载特性曲线
入射光强-负载特性描述的是在相同照度下，输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示：
图4 光电池的入射光强-负载特性曲线
当RL＜＜Rd时，可近似看做短路，输出电流为ISC，与入射光强成正比，RL越小，线性度越好，线性范围越大。
当RL为∞时，可近似看做开路，输出电压为VOC。
随着RL的变化，输出功率也变化，当时，输出功率，RM称负载。
2.2 光谱特性
光电池的光谱特性取决于所采用的材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，它适宜于测量可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合，它的光谱灵敏度与人眼很接近，可用它客观的决定照度。硅光电池可以应用的范围是400~1100nm。峰值波长在850nm附近。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关，也和制造工艺有关，并且随使用温度的不同而有所移动。
2.3 伏安特性
无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。
图5给出了硅光电池的伏安特性曲线。它表示负载为电阻时，受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。负载的斜率由负载电阻决定，负载线与伏安特性曲线的交点M为工作点。负载电阻RL从硅光电池获得的功率为Pm＝Ｉm·Um。
图5 光电池的伏安特性曲线
五、实验注意事项
1、连线之前要保证电源关闭；
2、打开电源之前，将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值；
3、若照度计、电流表或电压表显示为“1＿”时说明超出量程，应改为合适的量程再测试。
六、实验步骤
组装好光源、遮光筒和硅光电池结构件探头，如下图所示：
图6 光路结构示意图
1、硅光电池短路电流的测量
图7 偏置电路
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。J1连接电流表的正极，J2连接电流表的负极，测出50Lx照度下的短路电流（电路图如下图所示）；
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图8 短路电流测量电路
5）重复以上方法，测出照度为100Lx……400Lx时的硅光电池的短路电流，将数据填入表1；
表1
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
150 |
200 |
300 |
400 |
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光生电流（μA） |
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6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—短路电流特性曲线。
2、硅光电池开路电压的测量
图9 放大电路
图10调零电路
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，将J14接GND；
J6连接J13，将光照度调为0。按下开关K1和K2，用示波器测量TP3点的电压，调节W1使TP3点电压为0；
4）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，将J14接GND，J6连接J13。按下开关K1和K2，用示波器测量TP3点的电压U；
5）重复以上方法，测出照度为100Lx……400Lx时TP3点的电压U，将数据填入表2；
表2
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
150 |
200 |
300 |
400 |
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U（mV） |
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6）关闭电源开关，照度值调至最小，作出光照度—开路电压特性曲线。
3、零偏、反偏时光照-电流特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示200Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔连接电流表的正极，电流表的负极串接一个5.6K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）到J2。将结果记录到表3中；
5）拆掉电流表负极和RL1的连接，将电流表负极连接实验仪主板可调电压的GND2插孔，0-12V2插孔与RL1相连。电压表正负极分别与0-12V2插孔、GND2插孔相连。顺时针旋转电压调节旋钮，使其为2V，记录该偏压下硅光电池的光电流值，填入表3中；
图11 零偏、反偏电路
6）重复以上方法，测出偏压分别为4V、6V、8V、10V时硅光电池的光电流，将数据填入表3；
表3
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偏压（V） |
0 |
-1 |
-2 |
-3 |
-4 |
-5 |
-6 |
-7 |
-8 |
-9 |
-10 |
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光生电流（μA） |
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7）关闭电源开关，照度值调至最小，作出200 Lx光照度下的光电流-偏压曲线；
4、硅光电池光照特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔串接一个5.6K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）再串接电流表到J2。将结果记录到表4中；
图12 硅光电池光照特性电路
5）将负载Ｒ换成分别换成RL2、RL3、RL4，分别记录电流表的读数，填入表4；
6）重复以上方法，分别测量光照度为100 Lx、200 Lx、300 Lx下的光电流值，并记录。关闭电源；
表4
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电流值 负载
照度值 |
5.6Ｋ（RL1） |
10Ｋ（RL2） |
51Ｋ（RL3） |
100Ｋ（RL4） |
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50Lx |
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100Lx |
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200 Lx |
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300 Lx |
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7）作出光电池的电流随负载变化的电流-负载特性曲线。
5、硅光电池伏安特性测量
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上；
4）打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线，将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中，硅光电池模块的J1插孔串接一个5.6K电阻（光源及测量模块负载电阻中的RL1）再串接电流表到J2。电压表正极连接J1，负极连接J2。记下50Lx光照度下的光生电压值和光生电流值，填入表5；
图13 硅光电池伏安特性电路
5）重复以上方法，测量照度分别为100Lx、200 Lx、300 Lx下的光生电压值和光生电流值，填入表5；
表5
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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电流（μA） |
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电压（mV） |
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6）作出光电池在负载阻值为5.6KΩ时的V-I曲线；
7）改变负载大小RL2、RL3、RL4，分别记录电压表和电流表的读数，并填入表6、7、8、9；
8）作出这四种不同负载下硅光电池的V-I特性曲线，比较四条曲线的不同，并加以分析；
表6
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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电流（μA） |
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电压（mV） |
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表7
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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电流（μA） |
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电压（mV） |
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表8
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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电流（μA） |
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电压（mV） |
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（9）实验完毕，关闭电源，拆除所有连线。
6、硅光电池光谱特性测量
实验方法与短路电流测试方法基本一样，不同点就是光源采取全彩灯光源，光源及测量模块的航空插座FLED-IN与全彩灯光源套筒后端盖航空插座对应插接。打开光源及测量实验模块电源开关K1，将光源及测量实验模块的S1，S2，S3开关向下拨，通过控制K2、K3、K4开关，调节光源颜色和光强大小。在相同照度(100 Lx)下，测得光电流，填入表9，并作出曲线。实验完毕，拆除所有连线。将光照度调节旋钮都逆时针旋到底。
表9
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光源颜色 光电流I（μA）
照度（Lx） |
红 |
绿 |
蓝 |
黄 |
青 |
紫 |
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100 |
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7、硅光电池时间响应特性测量
硅光电池模块J1插孔连接硅光电池正极，J2插孔连接硅光电池负极和GND。将RL4（100K）并联到J1、J2两端，打开光源及测量实验模块电源开关K1，将光源及测量实验模块的S1，S2，S3开关向上拨，光源及测量实验模块的J16与J17，18，J19插座相连接。将光源的颜色设置为白色，观察光源及测量实验模块的J16点波形和硅光电池实验模块J1点波形，分析硅光电池的时间响应特性。
8、设计应用实验
（1）硅光电池光照度计设计实验
实验步骤：
1）打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源；
2）卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连，0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔；
3）将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，J5连接J13，将光照度调为0。按下开关K1和K3，用示波器测量TP3点的电压，调节W1使TP3点电压为0；
4）将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。打开实验箱电源，调节光照度调节旋钮，使照度计显示50Lx。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔，J5连接J13。按下开关K1和K3，用示波器测量TP3点的电压U。（调节W2可改变输出电压的大小）。
图14 电压放大电路
图15 调零电路
二次开发实验
1）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图16所示；
2）参考电路原理图自行进行调试；
图16
3）参考太阳能电池照度表实验的实验步骤进行二次开发实验，观察实验现象是否和模块实验现象一致。
（2）太阳能充电器设计实验
图17 降压电路
图18 充电控制电路
此电路可以使充电器工作于恒流与恒压两种模式，并有恒流恒压指示灯指示。
实验步骤：
1）J7连接实验仪主板0—12V2，实验仪主板GND2与J8相连。12V2、GND2分别连接实验箱上电压表的正负插孔，J9连J11，J10连J12。用示波器测量D2二极管正极电压，调节可调电源使D2二极管正极电压达到5V以上，观察LED4亮灭情况。（本实验调试过程中，用可调电源代替太阳能电池板在光照下的电压输出，如果使用太阳能电池板做调试，须将J7连接太阳能电池板的+极，J8连接太阳能电池板的-极。使用时将太阳能电池板放在光照下，保证太阳能电池板输出电压在6V以上）；
2）调节测试钩TP4上方的可调电位器（W4），当LM358的输出脚1脚为低电平时，观察LED3的亮灭状态，此时充电器处于恒流充电模式，U5芯片中间第2脚的电压与充电电池正端的电压应该相等，当LM358的输出脚1脚为高电平时，观察LED3的亮灭状态，此时充电器处于恒压充电模式，U6芯片中间第2脚的电压与充电电池正端的电压应该相等。
二次开发实验
1）利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图19所示；
2）参考电路原理图自行进行调试；（Q1是晶闸管型号为2P4M）
图19
3）参考太阳充电器设计实验的实验步骤进行二次开发实验，观察实验现象是否和模块实验现象一致。
七、思考题
1、比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同，并对两条曲线进行分析。
2、太阳能电池照度表电路设计方案还有哪些需要改进之处，说明原因，试做改进。
