半导体光伏效应实验

图 1 光伏效应结构示意图 实验 4 半导体光伏效应实验 本实验以单晶硅太阳能电池为例，通过实验让学生了解太阳能光伏电池的机理，学习和掌握测量短路电流的方法和技巧，以及光电转换的基本参数测量。 一、实验目的 1、初步了解太阳能电池机理 2、测量太阳能电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系 3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 二、实验原理 在 P型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的 p-n结（如图 1），由于光照，在 A 、B电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。利用它制成的元器件称之为太阳能电池。光伏效应最重大的应用是可以将阳光直接转换成电能，是当今世界众多国家致力研究和开拓应用的课题。 从光伏效应的机理可知，太阳能电池输出的电流LI 是光生电流PI和在光生电压PV 作用下产生的 p-n结正向电流FI 之差，即FPLIII 。根据p-n结的电流和电压关系 FI =SI （kTqV Pe- 1) 式中PV 是光生电压，SI 为反向饱和电流 ，所以输出电流 LI =PI –SI (kTqV Pe- 1) (1) 此即光电流表达式。通常PI >>SI ，上式括号内的 1可忽略。 对于太阳能电池有外加偏压时，（1）式应改为 LI ' =LI +I =LI +SI ( kTqVe- 1) （2） 上式中SI ( kTqVe- 1)，就是p-n结在外加偏压V作用下的电流。图 2中的(a)(b)两条曲线分别表示无光照和有光照时太阳能电池的 I-V 特性，由此可知，太阳能电池的伏安特性曲线相当于把p-n结的伏安特性曲线向下平移，它在横轴与纵轴的截距分别给出了OCV和SCI 。 图 2太阳能电池的伏安特性 实验表明：在V =0情况下，当太阳能电池外接负载电阻LR ，其输出电压和电流均随LR 变化而变化。只有当LR 取某一定值时输出功率才能达到最大值mP ，即所谓最佳匹配阻值LBLRR，而LBR则取决于太阳能电池的内阻 Ri=SCOCIV。因OCV和SCI均随光照强度的增强而增大，所不同的是OCV与光强的对数成正比，SCI与光强(在弱光下)成正比 ，所以iR 亦随光强度变化而变化。如图 3所示。OCV 、SCI和iR 都是太阳能电池的重要参数，最大输出功率mP 和OCV与SCI乘积之比 FF=scocmIVP (3) FF是表征太阳能电池性能优劣的指标，称为填充因子 。FF越大，太阳能电池的转换效率就越高。FF最大值约为 0.75－0.85。 太阳能电池的等效电路(如图 4)，在一定负载电阻LR 范围内可以近似地视为一...