.::实验 九 硅光电池特性的研究::.
图一 硅光电池实验装置全图
来源 上海交通大学物理实验中心
光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究．
.::实验预习::.
硅光电池的照度特性
硅光电池是属于一种有PN 结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P 区和N 区集结，使PN 结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．
（1）硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存
在正向二极管管电流I D ．此电流方向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为
（1）
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流
（2）
硅光电池短路电流与照度特性见图1．
（2）硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压
（3） 硅光电池开路电压与照度特性见图1．
2．硅光电池的负载特性
当硅光电池接上负载R 时，硅光电池工作可以在反向偏置电压状态或无偏压状态．它的伏安特性见图2．由图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：
（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；
（2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大．
由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流I Ph ，在电压轴上的截距即为开路电压V OC ．
图2 硅光电池的光谱响应．
图3为硅光电池的光谱特性曲线．
即相对灵敏度K r 和入射光波长λ 的关系曲线．从图3中可看出，硅光电池的有效范围约在450—1100 nm之间．实验室给出六种不同的滤色片，透过各滤色片光的波长见表1．
表1 滤色片波长值
（1）实验中所用光源为发光二极管，二极管发出的光再打在荧光粉上发出白光，其各谱线所对应的光强与波长有关，本实验中所用光源的相对光强与波长λ关系写在桌子上的表格上面．
表2 光源的波长所对应的相对光强
（2）实验室给出的各种波长滤色片的波长并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值．表征宽度通常是用半带宽∆λ表示，滤色片的峰值透射率用T 表示，各个波长滤色片的∆λ和T 并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致．因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T 及半带宽∆λ已附在各组实验仪器上．
（3）硅光电池的灵敏度K 为
（4） P (λ) 为硅光电池测得的光强，可用硅光电池的输出电压或电流表示。
硅光电池的相对灵敏度K r 为
（5）
K m 为不同波长对应K （λ）的最大值
4．实验中，光源的能量主要集中在红外区域，本实验所用的偏振片对红外不起偏，因此要选择合适的滤色片滤掉红外光，才能进行验证马吕斯定律的实验内容．
.::实验仪器::.
【实验仪器】
硅光电池、光学导轨及支座附件，光源，聚光透镜，比色槽，数字万用表，多圈电位器，滤色片，偏振片，照度计．
滤色片
.::思考题::.
1．实验中所用光源的电压发生变化，表二所提供的参数是否发生变化？
提示：实验中所用的光实际上是二极管直接发出的光打到荧光粉上，然后发出的荧光，相对光强的分布，应该取决于荧光粉的性质，和所加的电压没有关系。所以，所用光源的电压变化，表二提供的参数应该不发生变化。
2．硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明．
提示：有。入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程是需要反应时间的。
这个时间延迟可以用实验来证明。事实上，在光通信网络中，由于光电信号的转换造成的瓶颈已经是这个现象的验证了。只不过，那里用的都是光电接收器，而这里是作为电池的硅。原理是一样的。
3．动态电阻与通常的电源内阻是否是同一概念？
提示：不是。二者是完全不同的概念。
“动态电阻”定义为二极管在任意一个工作点处，电压相对于电流的导数。一般而言，工作点改变时，动态电阻也跟着改变，这就是之所以叫做动态电阻的原因。在V －I 特性曲线中，动态电阻是曲线的斜率。
而普通的电源内阻，是说电源内部存在电阻，所以电流流过电源时，电压除了升高一个电动势外，还会有一个电压降。
4．设计一个测量高锰酸钾溶液浓度与透射率关系的实验装置。
如上图所示，支架上的柱状玻璃容器内，存有溶液。让激光器打出的光，通过溶液，再用照度记测量出射的光。更换浓度不同的溶液，探测器探测到的光强就会不同，以浓度为零时的光强作标准，就可以简单定出溶液浓度和透射率之间的关系
参考资料::.
1. 滤色片技术参数
2. 发光二极管相对发光光强[Origin 数据]
3. 硅光电池特性的研究_思考题提示
4. 硅光电池伏安特性曲线模版
.::实验 九 硅光电池特性的研究::.
图一 硅光电池实验装置全图
来源 上海交通大学物理实验中心
光电池是一种很重要的光电探测元件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能．光电池的种类很多，常见的有硒，锗，硅，砷化镓等．其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：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．同时，硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，所以很多分析仪器和测量仪器常用到它．本实验仅对硅光电池的基本特性和简单应用作初步的了解和研究．
.::实验预习::.
硅光电池的照度特性
硅光电池是属于一种有PN 结的单结光电池．它由半导体硅中渗入一定的微量杂质而制成．当光照射在PN 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P 区和N 区集结，使PN 结两端产生光生电动势．这一现象称为光伏效应．
（1）硅光电池的短路电流与照度关系
当光照射硅光电池时，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I Ph ，同时由于PN 结二极管的特性，存
在正向二极管管电流I D ．此电流方向从P 区到N 区，与光生电流相反，因此实际获得电流I 为
（1）
式中V 为结电压，I 0为二极管反向饱和电流，I Ph 是与入射光的强度成正比的光生电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料特性有关．n 为理想系数是表示PN 结特性的参数，通常在1-2之间，q 为电子电荷，k B 为波尔茨曼常数，T 为绝对温度．在一定照度下，光电池被短路（负载电阻为零）则V = 0 由（1）式可得到短路电流
（2）
硅光电池短路电流与照度特性见图1．
（2）硅光电池的开路电压与照度关系
当硅光电池的输出端开路时，I = 0， 由（1）与（2）式可得开路电压
（3） 硅光电池开路电压与照度特性见图1．
2．硅光电池的负载特性
当硅光电池接上负载R 时，硅光电池工作可以在反向偏置电压状态或无偏压状态．它的伏安特性见图2．由图中可见，硅光电池的伏安特性曲线由二个部分组成：
（1）反偏工作状态，光电流与偏压、负载电阻几乎无关（在很大的动态范围内）；
（2）无偏工作状态，光电二极管的光电流随负载电阻变化很大．
由图2可看到，在一定光照下，负载曲线在电流轴上的截距是短路电流I Ph ，在电压轴上的截距即为开路电压V OC ．
图2 硅光电池的光谱响应．
图3为硅光电池的光谱特性曲线．
即相对灵敏度K r 和入射光波长λ 的关系曲线．从图3中可看出，硅光电池的有效范围约在450—1100 nm之间．实验室给出六种不同的滤色片，透过各滤色片光的波长见表1．
表1 滤色片波长值
（1）实验中所用光源为发光二极管，二极管发出的光再打在荧光粉上发出白光，其各谱线所对应的光强与波长有关，本实验中所用光源的相对光强与波长λ关系写在桌子上的表格上面．
表2 光源的波长所对应的相对光强
（2）实验室给出的各种波长滤色片的波长并不严格，它有一定的宽度，给出的仅仅是峰值．表征宽度通常是用半带宽∆λ表示，滤色片的峰值透射率用T 表示，各个波长滤色片的∆λ和T 并不一致，即使同一波长滤色片的峰值透射率在技术上也很难做到一致．因此，对每组实验仪器，各波长滤色片对应的峰值透射率T 及半带宽∆λ已附在各组实验仪器上．
（3）硅光电池的灵敏度K 为
（4） P (λ) 为硅光电池测得的光强，可用硅光电池的输出电压或电流表示。
硅光电池的相对灵敏度K r 为
（5）
K m 为不同波长对应K （λ）的最大值
4．实验中，光源的能量主要集中在红外区域，本实验所用的偏振片对红外不起偏，因此要选择合适的滤色片滤掉红外光，才能进行验证马吕斯定律的实验内容．
.::实验仪器::.
【实验仪器】
硅光电池、光学导轨及支座附件，光源，聚光透镜，比色槽，数字万用表，多圈电位器，滤色片，偏振片，照度计．
滤色片
.::思考题::.
1．实验中所用光源的电压发生变化，表二所提供的参数是否发生变化？
提示：实验中所用的光实际上是二极管直接发出的光打到荧光粉上，然后发出的荧光，相对光强的分布，应该取决于荧光粉的性质，和所加的电压没有关系。所以，所用光源的电压变化，表二提供的参数应该不发生变化。
2．硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？可否用实验证明．
提示：有。入射光照射讯号需要先改变载流子的分布，再改变硅光电池的输出，这个光电过程是需要反应时间的。
这个时间延迟可以用实验来证明。事实上，在光通信网络中，由于光电信号的转换造成的瓶颈已经是这个现象的验证了。只不过，那里用的都是光电接收器，而这里是作为电池的硅。原理是一样的。
3．动态电阻与通常的电源内阻是否是同一概念？
提示：不是。二者是完全不同的概念。
“动态电阻”定义为二极管在任意一个工作点处，电压相对于电流的导数。一般而言，工作点改变时，动态电阻也跟着改变，这就是之所以叫做动态电阻的原因。在V －I 特性曲线中，动态电阻是曲线的斜率。
而普通的电源内阻，是说电源内部存在电阻，所以电流流过电源时，电压除了升高一个电动势外，还会有一个电压降。
4．设计一个测量高锰酸钾溶液浓度与透射率关系的实验装置。
如上图所示，支架上的柱状玻璃容器内，存有溶液。让激光器打出的光，通过溶液，再用照度记测量出射的光。更换浓度不同的溶液，探测器探测到的光强就会不同，以浓度为零时的光强作标准，就可以简单定出溶液浓度和透射率之间的关系
参考资料::.
1. 滤色片技术参数
2. 发光二极管相对发光光强[Origin 数据]
3. 硅光电池特性的研究_思考题提示
4. 硅光电池伏安特性曲线模版