硅光电池伏-安特性的研究
硅光电池（也常称为太阳能电池）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。

它具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。

经过人们40多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。

目前，太阳能电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源。

有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15% ~ 20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位。

因而了解太阳能电池的工作原理和基本性能非常重要。

【实验目的】
1. 了解硅光电池的工作原理。

2. 测定硅光电池的伏-安特性 【实验仪器】
THKGD-1型硅光电池特性实验仪 【实验原理】
硅光电池内部结构如图1所示，主要由两部分组成：n 型硅基片层和p 型硅受光层。

根据pn
当光照在p 型硅表面，且光子能量大于材料的禁带宽度时，在pn 结内产生电子-空穴对。

n 区电子密度增加，p 区空穴密度增加，那么这些光生电子和空穴积累在pn 结附近，使p 区获得附加正电荷，n 区获得附加负电荷，这样在pn 结上产生一个光生电动势，如果连接灵敏电流计形成闭合电路，则在回路中产
生光电流，光电流的大小与入射光强有关。

硅光电池的工作原理是基于光伏效应。

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，入射光子将把处于价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漂移到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 结两端的电流可下式确定
上式中I s 为饱和电流，V 为pn 结两端的电压，T 为绝对温度，I p 为产生的光电流。

从式中可以看到，当硅光电池处于零偏时，V =0，流过pn 结的电流I=I p ；当硅光电池处于反偏时（在本实验中取V =-5V ），流过PN 结的电流I =I p -I s 。

图2是硅光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V 转换器把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。

比较光电池零偏和反偏时
图1 硅光电池结构示意图
)1(p kT eV
s I e I I +-=
的信号，就可以测定光电池的饱和电流I s 。

当在硅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的值来测定光电池的伏安特性曲线（如图3所示）。

【实验内容】
1．硅光电池零偏和反偏时，其输出电压与输入光信号关系特性测定
如图4所示，观察仪器左上角“发送光强显示”表，同时在0~2000范围内调节发光强度旋钮（相当于调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围对应于0～20mA 之间），将功能转换开关分别打到零偏和负（反）偏，让硅光电池输出端连接到I/V 转换模块的输入端，将I/V 转换模块的输出端连接到数字电压表头（仪器右上角，单位：10-1
mV ）的输入端，分别测定硅光电池在零偏和反偏时输出电压与输入光信号关系。

2．硅光电池输出端连接恒定负载时，光电池输出电压与输入光信号关系测定 将功能转换开关打到
“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K ）和数字电压表，从0～20mA （发送光强指示为0~2000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定硅光电池输出电压随输入光强度的关系曲线。

3．硅光电池伏安特性测定 在硅光电池输入光强度不变时（如发送光强指示为500，不能太大），测量当负载从0～100k Ω的范围内变化时，记录光电池的输出电压，由光电池的输出电压和负载电阻值求得光电流，作硅光电池伏安特性曲线。

oc
m
I I I
V
图3 硅光电池的伏–安特性曲线
硅光电池
零偏图 2.硅光电池光电信号接收框图
图4 硅光电池特性实验仪
【注意事项】注意接线正、负。

【实验处理】
2．硅光电池输出连接恒定负载时产生的光电压与输入光信号关系测定
3．硅光电池伏安特性测定。