硅光电池特性研究实验
【实验原理】
在p 型硅片上扩散一层极薄的n 型层，形成pn 结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。

光电池的符号见图5.7.1(b)。

当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。

它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn 结附近时受pn 结内电场的作用，空穴向p 区迁移，使p 区显示正电性，电子向n 区迁移，使n 区带负电，因此在pn 结上产生电动势。

如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。

硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。

(1)在无光照时，光(生)电流0ph I =，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。

根据半导体理论，流
经二极管的电流d I 与其两端电压的关系符合以下经验公式
0(1)V d I I I e β==- （5.7.1） 式中：β和0I 是常数。

(2)有光照时，ph I >o ，光电池端电压与电流的关系为
0(1)V d ph ph I I I I e I β=-=-- (5.7.2)
由式(5.7.2)，可以得到以下结论：
①当外电路短路时，短路电流sc ph I I =-，光电流全部流向外电路。

②当外电路开路时，开路电压1ln 1ph oc o I V I β⎡⎤=
+⎢⎥⎣⎦即1ln 1sc oc o I V I β⎡⎤=+⎢⎥⎣⎦，开路电压oc V 与短路电流sc I 满足对数关系；如果sc I 与光通量(或照度)有线性关系，则oc V 与光通量也满足对数关系。

由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大。

因此，在入射光能量不变化的情况下，要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当的值。

【预习要求】
(1)通过预习，了解硅光电池的工作原理，大致了解实验内容。

(2)写预习报告，按要求在数据记录纸上画好待填表格。

【实验报告要求】
(1) 记录实验过程，包括实验步骤、各种实验现象和数据处理等。

(2)分析各实验结果并要得到结论。

可就实验中涉及的、你感兴趣的1～2个问题作较深入讨论。

(3)实验曲线可用计算机绘制(推荐用Excel 软件)，也可手画。

①用原始数据表5.7.1的数据，画出InI~v 曲线。

如果是直线，计算β和O I (利用条件I>>O I )，写出在没有光照情况下光电池的端电压(正向偏压)与电流之间的经验公式，由此可以间接验证经验公式(5.7.1)。

②利用数据表5.7.2的数据，作出Isc 与光通量ϕ的关系曲线，设ϕ与1/L2的比系数等于1，由曲线得到什么结论?
③根据表5.7.3，画出sc I α-曲线，它是什么曲线?
④根据表5.7.4、5.7.5，在一张图上分别画出光电池输出电压与负载电阻、输出电流与负载电阻的关系曲线，并由此在同一图上得到负载电阻与输出功率的关系；确定光电池的最大输出功率Pm 以及最大输出功率时的负载电阻Re(最佳匹配电阻)。

⑤利用表5.7.6、5.7.7、5.7.8、5.7.9，在一张图上分别画出上下两片光电池的伏安特性以及它们串、并联后的伏安特性，从四条曲线能得到什么结论?
⑥根据表5.7.10，画出sc I λ-关系图，此图说明什么?
【思考题】
(1)光电流与短路电流有什么关系?
(2)对实验中所用滤光片的透射曲线应有什么要求?
(3)严格地说，本实验得到的光电池光谱特性并不能准确描述光电池对入射光中各频率分量的响应特性，或者说，这样得到的光谱特性，还包含了其他因素的影响，这些影响因素是什么?
(4)通过实验，对光电池总体有什么认识?
(5)硅光电池是一种半导体元件，人们在研究半导体元件的外特性时，通常要研究它们的温度
特性和对信号的频率响应特性。

不限于本实验器材，有什么方案测量以上两种特性?
(6)把光电池当作光电转换元件，你能设计一个实验或一种测量装置吗?。