硅光電池特性實驗
一、實驗目的
1、了解光電池的工作原理、使用方法和應用；
2、掌握光電池的光照特性及其測試方法；
3、掌握光電池的伏安特性及其測試方法；
4、掌握光電池的光譜特性及其測試方法；
5、掌握硅光電池的時間響應特性及其測試方法。
二、實驗內容
1、硅光電池短路電流的測量；
2、硅光電池開路電壓的測量；
3、零偏、反偏時光照-電流特性測量；
4、硅光電池光電特性測量；
5、硅光電池伏安特性測量；
6、硅光電池光譜特性測量；
7、硅光電池時間響應特性測量。
三、實驗儀器
光電技術創新綜合實驗儀 一臺
硅光電池實驗模塊 一塊
光源輸出及測量實驗模塊 一塊
連接導線 若干
四、實驗原理
1、光電池的結構和原理
光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時實質就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。
光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”的，它實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區每吸收一個光子就產生一對自由電子和空穴， 電子-空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。圖1是硅光電池原理圖，其中(a)為結構示意圖，(b)為等效電路。
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圖1 硅光電池原理圖
2、光電池的特性參數
2.1 光照特性
這里討論光電池的光照特性，用入射光強-電流電壓特性和入射光強-負載特性來描述。
入射光強-電流電壓特性描述的是開路電壓VOC和短開路電流ISC隨入射光強變化的規律，如下圖所示。
圖2 光電池的入射光強-電流電壓特性曲線
VOC隨入射光強按對數規律變化，ISC與入射光強成線性關系。
光電池用作探測器時，通常是以電流源形式使用，總要接負載電阻RL，這時電流記作，它與入射光強不再成線性關系相對光電池內阻越大，線性范圍越小，如下圖所示：
圖3 光電池的入射光強-電流-負載特性曲線
入射光強-負載特性描述的是在相同照度下，輸出電壓、輸出電流、輸出功率隨負載變化的規律。如下圖所示：
圖4 光電池的入射光強-負載特性曲線
當RL＜＜Rd時，可近似看做短路，輸出電流為ISC，與入射光強成正比，RL越小，線性度越好，線性范圍越大。
當RL為∞時，可近似看做開路，輸出電壓為VOC。
隨著RL的變化，輸出功率也變化，當時，輸出功率，RM稱負載。
2.2 光譜特性
光電池的光譜特性取決于所采用的材料。硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，它適宜于測量可見光。如果硒光電池與適當的濾光片配合，它的光譜靈敏度與人眼很接近，可用它客觀的決定照度。硅光電池可以應用的范圍是400~1100nm。峰值波長在850nm附近。光電池的光譜峰值位置不僅與制造光電池的材料有關，也和制造工藝有關，并且隨使用溫度的不同而有所移動。
2.3 伏安特性
無光照時，光電池伏安特性曲線與普通半導體二極管相同。有光照時，沿電流軸方向平移，平移幅度與光照度成正比。曲線與電壓軸交點稱為開路電壓VOC，與電流軸交點稱為短路電流ISC。
圖5給出了硅光電池的伏安特性曲線。它表示負載為電阻時，受光照射的硅光電池輸出電壓與電流的關系。負載的斜率由負載電阻決定，負載線與伏安特性曲線的交點M為工作點。負載電阻RL從硅光電池獲得的功率為Pm＝Ｉm·Um。
圖5 光電池的伏安特性曲線
五、實驗注意事項
1、連線之前要保證電源關閉；
2、打開電源之前，將“光照度調節”旋鈕逆時針調至最小值；
3、若照度計、電流表或電壓表顯示為“1＿”時說明超出量程，應改為合適的量程再測試。
六、實驗步驟
組裝好光源、遮光筒和硅光電池結構件探頭，如下圖所示：
圖6 光路結構示意圖
1、硅光電池短路電流的測量
圖7 偏置電路
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；
4）打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。J1連接電流表的正極，J2連接電流表的負極，測出50Lx照度下的短路電流（電路圖如下圖所示）；
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圖8 短路電流測量電路
5）重復以上方法，測出照度為100Lx……400Lx時的硅光電池的短路電流，將數據填入表1；
表1
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
150 |
200 |
300 |
400 |
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光生電流（μA） |
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6）關閉電源開關，照度值調至最小，作出光照度—短路電流特性曲線。
2、硅光電池開路電壓的測量
圖9 放大電路
圖10調零電路
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔，將J14接GND；
J6連接J13，將光照度調為0。按下開關K1和K2，用示波器測量TP3點的電壓，調節W1使TP3點電壓為0；
4）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上。打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示50Lx。將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔，將J14接GND，J6連接J13。按下開關K1和K2，用示波器測量TP3點的電壓U；
5）重復以上方法，測出照度為100Lx……400Lx時TP3點的電壓U，將數據填入表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）關閉電源開關，照度值調至最小，作出光照度—開路電壓特性曲線。
3、零偏、反偏時光照-電流特性測量
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；
4）打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示200Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔連接電流表的正極，電流表的負極串接一個5.6K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）到J2。將結果記錄到表3中；
5）拆掉電流表負極和RL1的連接，將電流表負極連接實驗儀主板可調電壓的GND2插孔，0-12V2插孔與RL1相連。電壓表正負極分別與0-12V2插孔、GND2插孔相連。順時針旋轉電壓調節旋鈕，使其為2V，記錄該偏壓下硅光電池的光電流值，填入表3中；
圖11 零偏、反偏電路
6）重復以上方法，測出偏壓分別為4V、6V、8V、10V時硅光電池的光電流，將數據填入表3；
表3
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偏壓（V） |
0 |
-1 |
-2 |
-3 |
-4 |
-5 |
-6 |
-7 |
-8 |
-9 |
-10 |
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光生電流（μA） |
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7）關閉電源開關，照度值調至最小，作出200 Lx光照度下的光電流-偏壓曲線；
4、硅光電池光照特性測量
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；
4）打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔串接一個5.6K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）再串接電流表到J2。將結果記錄到表4中；
圖12 硅光電池光照特性電路
5）將負載Ｒ換成分別換成RL2、RL3、RL4，分別記錄電流表的讀數，填入表4；
6）重復以上方法，分別測量光照度為100 Lx、200 Lx、300 Lx下的光電流值，并記錄。關閉電源；
表4
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電流值 負載
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）作出光電池的電流隨負載變化的電流-負載特性曲線。
5、硅光電池伏安特性測量
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上；
4）打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示50Lx。拔去硅光電池探頭與照度表連接的紅黑導線，將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔。將光源與測量模塊插入主機箱體的插槽中，硅光電池模塊的J1插孔串接一個5.6K電阻（光源及測量模塊負載電阻中的RL1）再串接電流表到J2。電壓表正極連接J1，負極連接J2。記下50Lx光照度下的光生電壓值和光生電流值，填入表5；
圖13 硅光電池伏安特性電路
5）重復以上方法，測量照度分別為100Lx、200 Lx、300 Lx下的光生電壓值和光生電流值，填入表5；
表5
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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電流（μA） |
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電壓（mV） |
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6）作出光電池在負載阻值為5.6KΩ時的V-I曲線；
7）改變負載大小RL2、RL3、RL4，分別記錄電壓表和電流表的讀數，并填入表6、7、8、9；
8）作出這四種不同負載下硅光電池的V-I特性曲線，比較四條曲線的不同，并加以分析；
表6
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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電流（μA） |
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電壓（mV） |
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表7
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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電流（μA） |
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電壓（mV） |
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表8
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光照度（Lx） |
50 |
100 |
200 |
300 |
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電流（μA） |
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電壓（mV） |
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（9）實驗完畢，關閉電源，拆除所有連線。
6、硅光電池光譜特性測量
實驗方法與短路電流測試方法基本一樣，不同點就是光源采取全彩燈光源，光源及測量模塊的航空插座FLED-IN與全彩燈光源套筒后端蓋航空插座對應插接。打開光源及測量實驗模塊電源開關K1，將光源及測量實驗模塊的S1，S2，S3開關向下撥，通過控制K2、K3、K4開關，調節光源顏色和光強大小。在相同照度(100 Lx)下，測得光電流，填入表9，并作出曲線。實驗完畢，拆除所有連線。將光照度調節旋鈕都逆時針旋到底。
表9
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光源顏色 光電流I（μA）
照度（Lx） |
紅 |
綠 |
藍 |
黃 |
青 |
紫 |
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100 |
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7、硅光電池時間響應特性測量
硅光電池模塊J1插孔連接硅光電池正極，J2插孔連接硅光電池負極和GND。將RL4（100K）并聯到J1、J2兩端，打開光源及測量實驗模塊電源開關K1，將光源及測量實驗模塊的S1，S2，S3開關向上撥，光源及測量實驗模塊的J16與J17，18，J19插座相連接。將光源的顏色設置為白色，觀察光源及測量實驗模塊的J16點波形和硅光電池實驗模塊J1點波形，分析硅光電池的時間響應特性。
8、設計應用實驗
（1）硅光電池光照度計設計實驗
實驗步驟：
1）打開實驗箱電源，調節照度計“調零”旋鈕，至照度計顯示為“000.0”為止，關閉實驗箱電源；
2）鹵素燈光源套筒紅黑插孔分別與實驗儀主板鹵素燈供電0—12V1和GND1相連，0—12V1和GND1分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔；
3）將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔，J5連接J13，將光照度調為0。按下開關K1和K3，用示波器測量TP3點的電壓，調節W1使TP3點電壓為0；
4）將硅光電池探頭紅黑插孔接到實驗箱的光照度紅黑插孔上。打開實驗箱電源，調節光照度調節旋鈕，使照度計顯示50Lx。將硅光電池探頭紅黑插孔分別連接硅光電池模塊的J1、J2插孔，J5連接J13。按下開關K1和K3，用示波器測量TP3點的電壓U。（調節W2可改變輸出電壓的大?。?。
圖14 電壓放大電路
圖15 調零電路
二次開發實驗
1）利用二次開發實驗模塊自行搭建電路，電路如圖16所示；
2）參考電路原理圖自行進行調試；
圖16
3）參考太陽能電池照度表實驗的實驗步驟進行二次開發實驗，觀察實驗現象是否和模塊實驗現象一致。
（2）太陽能充電器設計實驗
圖17 降壓電路
圖18 充電控制電路
此電路可以使充電器工作于恒流與恒壓兩種模式，并有恒流恒壓指示燈指示。
實驗步驟：
1）J7連接實驗儀主板0—12V2，實驗儀主板GND2與J8相連。12V2、GND2分別連接實驗箱上電壓表的正負插孔，J9連J11，J10連J12。用示波器測量D2二極管正極電壓，調節可調電源使D2二極管正極電壓達到5V以上，觀察LED4亮滅情況。（本實驗調試過程中，用可調電源代替太陽能電池板在光照下的電壓輸出，如果使用太陽能電池板做調試，須將J7連接太陽能電池板的+極，J8連接太陽能電池板的-極。使用時將太陽能電池板放在光照下，保證太陽能電池板輸出電壓在6V以上）；
2）調節測試鉤TP4上方的可調電位器（W4），當LM358的輸出腳1腳為低電平時，觀察LED3的亮滅狀態，此時充電器處于恒流充電模式，U5芯片中間第2腳的電壓與充電電池正端的電壓應該相等，當LM358的輸出腳1腳為高電平時，觀察LED3的亮滅狀態，此時充電器處于恒壓充電模式，U6芯片中間第2腳的電壓與充電電池正端的電壓應該相等。
二次開發實驗
1）利用二次開發實驗模塊自行搭建電路，電路如圖19所示；
2）參考電路原理圖自行進行調試；（Q1是晶閘管型號為2P4M）
圖19
3）參考太陽充電器設計實驗的實驗步驟進行二次開發實驗，觀察實驗現象是否和模塊實驗現象一致。
七、思考題
1、比較光照度-開路電壓和光照度-短路電流曲線的異同，并對兩條曲線進行分析。
2、太陽能電池照度表電路設計方案還有哪些需要改進之處，說明原因，試做改進。
