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硅光电池特性实验

时间:2015-04-23 09:57来源:正航仪器 作者:正航网络点击:

硅光电池特性实验

一、实验目的

1、了解光电池的工作原理、使用方法和应用;

金誉彩票官网 2、掌握光电池的光照特性及其测试方法;

3、掌握光电池的伏安特性及其测试方法;

4、掌握光电池的光谱特性及其测试方法;

5、掌握硅光电池的时间响应特性及其测试方法。

二、实验内容

1、硅光电池短路电流的测量;

2、硅光电池开路电压的测量;

3、零偏、反偏时光照-电流特性测量;

4、硅光电池光电特性测量;

5、硅光电池伏安特性测量;

6、硅光电池光谱特性测量;

7、硅光电池时间响应特性测量。

三、实验仪器

光电技术创新综合实验仪                                    一台

硅光电池实验模块                                          一块

光源输出及测量实验模块                                    一块

连接导线                                                  若干

四、实验原理

1、光电池的结构和原理

光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”的,它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如P型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴, 电子-空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。图1是硅光电池原理图,其中(a)为结构示意图,(b)为等效电路。

 

 
  硅光电池原理图

图1 硅光电池原理图

 

金誉彩票官网 2、光电池的特性参数

2.1 光照特性  

这里讨论光电池的光照特性,用入射光强-电流电压特性和入射光强-负载特性来描述。

入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路电流ISC随入射光强变化的规律,如下图所示。 

光电池的入射光强-电流电压特性曲线

图2 光电池的入射光强-电流电压特性曲线

VOC随入射光强按对数规律变化,ISC与入射光强成线性关系。

光电池用作探测器时,通常是以电流源形式使用,总要接负载电阻RL,这时电流记作,它与入射光强不再成线性关系相对光电池内阻越大,线性范围越小,如下图所示:

光电池的入射光强-电流-负载特性曲线

图3 光电池的入射光强-电流-负载特性曲线

入射光强-负载特性描述的是在相同照度下,输出电压、输出电流、输出功率随负载变化的规律。如下图所示:

 光电池的入射光强-负载特性曲线

图4 光电池的入射光强-负载特性曲线

当RL<<Rd时,可近似看做短路,输出电流为ISC,与入射光强成正比,RL越小,线性度越好,线性范围越大。

当RL为∞时,可近似看做开路,输出电压为VOC。

金誉彩票官网 随着RL的变化,输出功率也变化,当时,输出功率,RM称负载。

2。2 光谱特性

光电池的光谱特性取决于所采用的材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度,峰值波长在540nm附近,它适宜于测量可见光。如果硒光电池与适当的滤光片配合,它的光谱灵敏度与人眼很接近,可用它客观的决定照度。硅光电池可以应用的范围是400~1100nm。峰值波长在850nm附近。光电池的光谱峰值位置不仅与制造光电池的材料有关,也和制造工艺有关,并且随使用温度的不同而有所移动。

2.3 伏安特性

无光照时,光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时,沿电流轴方向平移,平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC,与电流轴交点称为短路电流ISC。

图5给出了硅光电池的伏安特性曲线。它表示负载为电阻时,受光照射的硅光电池输出电压与电流的关系。负载的斜率由负载电阻决定,负载线与伏安特性曲线的交点M为工作点。负载电阻RL从硅光电池获得的功率为Pm=Im·Um。

图5 光电池的伏安特性曲线

图5 光电池的伏安特性曲线

五、实验注意事项

金誉彩票官网 1、连线之前要保证电源关闭;

2、打开电源之前,将“光照度调节”旋钮逆时针调至最小值;

3、若照度计、电流表或电压表显示为“1_”时说明超出量程,应改为合适的量程再测试。

六、实验步骤

组装好光源、遮光筒和硅光电池结构件探头,如下图所示:

图6 光路结构示意图

金誉彩票官网 图6 光路结构示意图

1、硅光电池短路电流的测量

图6 光路结构示意图

图7 偏置电路

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上;

4)打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线,将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。J1连接电流表的正极,J2连接电流表的负极,测出50Lx照度下的短路电流(电路图如下图所示);

 

 

 
  短路电流测量电路

图8 短路电流测量电路

 

5)重复以上方法,测出照度为100Lx……400Lx时的硅光电池的短路电流,将数据填入表1;

表1

光照度(Lx)

50

100

150

200

300

400

光生电流(μA)

 

 

 

 

 

 

6)关闭电源开关,照度值调至最小,作出光照度—短路电流特性曲线。

2、硅光电池开路电压的测量

硅光电池开路电压的测量

图9 放大电路

放大电路

图10调零电路

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔,将J14接GND;

J6连接J13,将光照度调为0。按下开关K1和K2,用示波器测量TP3点的电压,调节W1使TP3点电压为0;

4)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示50Lx。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔,将J14接GND,J6连接J13。按下开关K1和K2,用示波器测量TP3点的电压U;

5)重复以上方法,测出照度为100Lx……400Lx时TP3点的电压U,将数据填入表2;

 

 

表2

光照度(Lx)

50

100

150

200

300

400

金誉彩票官网 U(mV)

 

 

 

 

 

 

6)关闭电源开关,照度值调至最小,作出光照度—开路电压特性曲线。

3、零偏、反偏时光照-电流特性测量

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上;

4)打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示200Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线,将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中,硅光电池模块的J1插孔连接电流表的正极,电流表的负极串接一个5。6K电阻(光源及测量模块负载电阻中的RL1)到J2。将结果记录到表3中;

5)拆掉电流表负极和RL1的连接,将电流表负极连接实验仪主板可调电压的GND2插孔,0-12V2插孔与RL1相连。电压表正负极分别与0-12V2插孔、GND2插孔相连。顺时针旋转电压调节旋钮,使其为2V,记录该偏压下硅光电池的光电流值,填入表3中;

零偏、反偏电路

图11 零偏、反偏电路

6)重复以上方法,测出偏压分别为4V、6V、8V、10V时硅光电池的光电流,将数据填入表3;

表3 

偏压(V)

0

-1

-2

-3

-4

-5

-6

-7

-8

-9

-10

光生电流(μA)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

金誉彩票官网 7)关闭电源开关,照度值调至最小,作出200 Lx光照度下的光电流-偏压曲线;

4、硅光电池光照特性测量

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000。0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上;

4)打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线,将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中,硅光电池模块的J1插孔串接一个5。6K电阻(光源及测量模块负载电阻中的RL1)再串接电流表到J2。将结果记录到表4中;

硅光电池光照特性电路

图12 硅光电池光照特性电路

5)将负载R换成分别换成RL2、RL3、RL4,分别记录电流表的读数,填入表4;

6)重复以上方法,分别测量光照度为100 Lx、200 Lx、300 Lx下的光电流值,并记录。关闭电源;

 

 

 

 

表4

               

电流值      负载

 

照度值

5.6K(RL1)

10K(RL2)

51K(RL3)

100K(RL4)

50Lx

 

 

 

 

100Lx

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200 Lx

 

 

 

 

300 Lx

 

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7)作出光电池的电流随负载变化的电流-负载特性曲线。

5、硅光电池伏安特性测量

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上;

4)打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示50Lx。拔去硅光电池探头与照度表连接的红黑导线,将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔。将光源与测量模块插入主机箱体的插槽中,硅光电池模块的J1插孔串接一个5.6K电阻(光源及测量模块负载电阻中的RL1)再串接电流表到J2。电压表正极连接J1,负极连接J2。记下50Lx光照度下的光生电压值和光生电流值,填入表5;

图13 硅光电池伏安特性电路   

图13 硅光电池伏安特性电路

5)重复以上方法,测量照度分别为100Lx、200 Lx、300 Lx下的光生电压值和光生电流值,填入表5;

表5

光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

 

 

 

 

电压(mV)

 

 

 

 

6)作出光电池在负载阻值为5.6KΩ时的V-I曲线;

7)改变负载大小RL2、RL3、RL4,分别记录电压表和电流表的读数,并填入表6、7、8、9;

8)作出这四种不同负载下硅光电池的V-I特性曲线,比较四条曲线的不同,并加以分析;

 

 

 

 

表6

光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

 

 

 

 

电压(mV)

 

 

 

 

表7

光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

 

 

 

 

电压(mV)

 

 

 

 

表8

光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

 

 

 

 

电压(mV)

 

 

 

 

   (9)实验完毕,关闭电源,拆除所有连线。

金誉彩票官网 6、硅光电池光谱特性测量

实验方法与短路电流测试方法基本一样,不同点就是光源采取全彩灯光源,光源及测量模块的航空插座FLED-IN与全彩灯光源套筒后端盖航空插座对应插接。打开光源及测量实验模块电源开关K1,将光源及测量实验模块的S1,S2,S3开关向下拨,通过控制K2、K3、K4开关,调节光源颜色和光强大小。在相同照度(100 Lx)下,测得光电流,填入表9,并作出曲线。实验完毕,拆除所有连线。将光照度调节旋钮都逆时针旋到底。

 

表9

 光源颜色

光电流I(μA)

 

照度(Lx)

绿

100

 

 

 

 

 

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7、硅光电池时间响应特性测量

金誉彩票官网 硅光电池模块J1插孔连接硅光电池正极,J2插孔连接硅光电池负极和GND。将RL4(100K)并联到J1、J2两端,打开光源及测量实验模块电源开关K1,将光源及测量实验模块的S1,S2,S3开关向上拨,光源及测量实验模块的J16与J17,18,J19插座相连接。将光源的颜色设置为白色,观察光源及测量实验模块的J16点波形和硅光电池实验模块J1点波形,分析硅光电池的时间响应特性。

8、设计应用实验

(1)硅光电池光照度计设计实验

实验步骤:

1)打开实验箱电源,调节照度计“调零”旋钮,至照度计显示为“000.0”为止,关闭实验箱电源;

2)卤素灯光源套筒红黑插孔分别与实验仪主板卤素灯供电0—12V1和GND1相连,0—12V1和GND1分别连接实验箱上电压表的正负插孔;

3)将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔,J5连接J13,将光照度调为0。按下开关K1和K3,用示波器测量TP3点的电压,调节W1使TP3点电压为0;

4)将硅光电池探头红黑插孔接到实验箱的光照度红黑插孔上。打开实验箱电源,调节光照度调节旋钮,使照度计显示50Lx。将硅光电池探头红黑插孔分别连接硅光电池模块的J1、J2插孔,J5连接J13。按下开关K1和K3,用示波器测量TP3点的电压U。(调节W2可改变输出电压的大小)。

图14 电压放大电路

图14 电压放大电路

图15 调零电路

图15 调零电路

二次开发实验

1)利用二次开发实验模块自行搭建电路,电路如图16所示;

2)参考电路原理图自行进行调试;

图16 调零电路

图16

3)参考太阳能电池照度表实验的实验步骤进行二次开发实验,观察实验现象是否和模块实验现象一致。

(2)太阳能充电器设计实验

图17 降压电路

图17 降压电路

图18 充电控制电路

图18 充电控制电路

此电路可以使充电器工作于恒流与恒压两种模式,并有恒流恒压指示灯指示。

实验步骤:

1)J7连接实验仪主板0—12V2,实验仪主板GND2与J8相连。12V2、GND2分别连接实验箱上电压表的正负插孔,J9连J11,J10连J12。用示波器测量D2二极管正极电压,调节可调电源使D2二极管正极电压达到5V以上,观察LED4亮灭情况。(本实验调试过程中,用可调电源代替太阳能电池板在光照下的电压输出,如果使用太阳能电池板做调试,须将J7连接太阳能电池板的+极,J8连接太阳能电池板的-极。使用时将太阳能电池板放在光照下,保证太阳能电池板输出电压在6V以上);

2)调节测试钩TP4上方的可调电位器(W4),当LM358的输出脚1脚为低电平时,观察LED3的亮灭状态,此时充电器处于恒流充电模式,U5芯片中间第2脚的电压与充电电池正端的电压应该相等,当LM358的输出脚1脚为高电平时,观察LED3的亮灭状态,此时充电器处于恒压充电模式,U6芯片中间第2脚的电压与充电电池正端的电压应该相等。

二次开发实验

1)利用二次开发实验模块自行搭建电路,电路如图19所示;

2)参考电路原理图自行进行调试;(Q1是晶闸管型号为2P4M)

 

 

图19充电控制电路

图19

3)参考太阳充电器设计实验的实验步骤进行二次开发实验,观察实验现象是否和模块实验现象一致。

七、思考题

1、比较光照度-开路电压和光照度-短路电流曲线的异同,并对两条曲线进行分析。

2、太阳能电池照度表电路设计方案还有哪些需要改进之处,说明原因,试做改进。

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