文档介绍：硅光电池基本特性的研究
太阳能是一种清洁能源、绿色能源,许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池,在日光的照射下,可将太阳辐射能直接转换为电能,具有性能稳定,光谱范围宽,频率特性好,转换效率高,能耐高温辐射等一系列优点,是应用极其广泛的一种光电传感器。因此,在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验,介绍硅光电池的电学性质和光学性质,并对两种性质进行测量,联系科技开发实际,有一定的新颖性和实用价值。
[实验目的]
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,并求其的短路电流 I SC 、开路电压 UOC 、最大FF
I 及开路电压U 与相对光强 J /J0 的关系,求出它们的近似函数关系;
[实验原理]
1、硅光电池的基本结构
目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用,硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元,深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。
零偏
反偏
正偏
图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区,当P型和N型半导体材料结合时,由于P型材料空穴多电子少,而N型材料电子多空穴少,结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散,N型材料中的电子向P型材料这边扩散,扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷,N型区带正电荷,形成一个势垒,由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行,当两者达到平衡时,在PN结两侧形成一个耗尽区,耗尽区的特点是无自由载流子,呈现高阻抗。当PN结反偏时,外加电场与内电场方向一致,耗尽区在外电场作用下变宽,使势垒加强;当PN结正偏时,外加电场与内电场方向相反,耗尽区在外电场作用下变窄,势垒削弱,使载流子扩散运动继续形成电流,此即为PN结的单向导电性,电流方向是从
P指向N。
2、硅光电池的工作原理
太阳能电池能够吸收光的能量,并将所吸收光子的能量转化为电能。这一能
量转换过程是利用半导体 P-N 结的光伏效应(Photovoltaic Effect)进行的。在没有光照时太阳能电池的特性可简单的看作一个二极管,其正向偏压 U 与通过电流 I 的关系式为:
, (1)
式中,I0和β是常数。其中,I、U 为 P-N 结二极管的电流及电压,k 为
波尔兹曼常数(×10 J/K),q 为电子电荷量(×10 库仑),T 为绝对温度, Io 是二极管的反向饱和电流,是理想二极管参数,
由半导体理论,二极管主要是由能隙为EC-EV的半导体构成,如图1所示。EC为半导体电带,EV为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时,光子会被半导体吸收,产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。
图1
假设太阳能电池的理论模型是由一理想电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管、一个并联电阻与一个电阻所组成,如图2所示。
图2
图2中,为太阳能电池在光照时该等效电源输出电流,为光照时,通过太阳能电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得: