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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;

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;

江西11选5走势图 4、掌握光电池的光谱特性及其测试方法;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 4、硅光电池光电特性测量;

5、硅光电池伏安特性测量;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 图1 硅光电池原理图

 

2、光电池的特性参数

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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。

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。

江西11选5走势图 2.3 伏安特性

江西11选5走势图 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。

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 五、实验注意事项

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 图6 光路结构示意图

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 光生电流(μA)

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

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。

江西11选5走势图 2、硅光电池开路电压的测量

硅光电池开路电压的测量

江西11选5走势图 图9 放大电路

放大电路

图10调零电路

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 U(mV)

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

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;

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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)

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

 

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

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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)

江西11选5走势图 100K(RL4)

江西11选5走势图 50Lx

江西11选5走势图  

 

 

 

100Lx

 

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

200 Lx

 

 

 

 

300 Lx

江西11选5走势图  

 

 

 

7)作出光电池的电流随负载变化的电流-负载特性曲线。

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 电流(μA)

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图 电压(mV)

 

 

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图 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;

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

 

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图 电压(mV)

 

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

表7

光照度(Lx)

50

100

200

300

电流(μA)

江西11选5走势图  

 

 

 

电压(mV)

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

表8

光照度(Lx)

50

100

200

300

江西11选5走势图 电流(μA)

江西11选5走势图  

 

 

 

电压(mV)

江西11选5走势图  

 

江西11选5走势图  

 

   (9)实验完毕,关闭电源,拆除所有连线。

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

江西11选5走势图  光源颜色

光电流I(μA)

江西11选5走势图  

照度(Lx)

绿

100

 

江西11选5走势图  

江西11选5走势图  

 

 

 

江西11选5走势图 7、硅光电池时间响应特性测量

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。

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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);

江西11选5走势图 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

江西11选5走势图 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。