硅光电池实验设计

代如成，郭 强，王中平，张增明，孙腊珍

(中国科学技术大学 物理学院，安徽 合肥 230026)

在光照射作用下，物质吸收光子能量并且激发自由电子的现象称为内光电效应，其主要包括光电导效应和光伏(特)效应. 光伏效应是指一定波长的光照射在非均匀半导体(特别是PN结)上，在内建电场的作用下，半导体内部产生光电压的现象. 硅光电池是基于光伏效应能够将光能直接转换成电能的半导体器件，它具有转换效率高、重量轻、使用安全、无污染等特点，在光电技术、自动控制、计量检测以及光能利用等领域都有广泛的应用.

1 实验原理

硅光电池的核心是大面积的光电二极管，在没有光照的情况下，硅光电池可以看作PN结二极管，其电流与电压关系可以表示为[1]

(1)

式中，U为硅光电池两端电压，T为热力学温度，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常量，n为二极管的品质因子,I0为硅光电池的反向饱和暗电流(主要由半导体材料的禁带宽度决定),Id为流过硅光电池的电流.

在光照的情况下，硅光电池可以看作恒流源与正偏理想二极管的并联. 对于实际的硅光电池而言，其等效电路要复杂得多，需要考虑PN结的品质和实际存在的串联电阻Rs和并联电阻Rsh[2-3]. 其中串联电阻来源于半导体材料的体电阻、电极与半导体接触电阻以及电极金属的电阻. 并联电阻是由于PN结漏电产生的，包括绕过电池边缘漏电、PN结区域存在晶体缺陷和杂质所引起的内部漏电. 在光照时，硅光电池产生一定的光生电流Iph，其中一部分流过PN结为暗电流Id，另一部分为供给负载电流I，其等效电路如图1所示[2-3].

图1 硅光电池的等效电路

因此考虑串并联电阻后，硅光电池的电流与电压关系表示为

I=Iph-Id-Ish=

式中，I为流过负载R的电流，Iph为光生电流，Id为流过二极管电流，Ish为流过并联电阻Rsh的电流,n为硅光电池PN结的品质因子(正偏压大时n值为1；正偏压小时n值为2).

传统电池的输出电压和输出功率是恒定的，但是硅光电池的输出电压、电流及其功率与光照条件和负载都有很大关系. 通常采用以下参量来表征太阳能电池的性能：短路电流Isc、开路电压Uoc、最大输出功率Pm、填充因子FF以及转换效率η[4-5].

2 结果与分析

2.1 硅光电池的暗伏安特性曲线

全暗情况下硅光电池的正向I-U特性曲线如图2所示，硅光电池的暗伏安特性表现出与普通二极管类似的伏安特性. 由图2可见，当硅光电池的正向电压较小时，正向电流较小，几乎为零. 当硅光电池两端电压超过死区电压时，正向电流才迅速增大，电流与电压的关系基本上是指数曲线. 根据式(1)，由最小二乘法拟合实验数据可以得到，I0=3.8×10-2mA，n=6.5.

图2 硅光电池的暗伏安特性

太阳能电池始终有杂质和缺陷，有些是硅片本身就有的，有些是在工艺中形成的. 这些杂质和缺陷起到复合中心的作用，可以俘获空穴和电子使之复合，必然会有微小的电流产生，这些电流对硅光电池的暗电流有贡献，它们共同导致了非理想二极管特性[3].

2.2 硅光电池的光照伏安特性曲线

在光照情况下，硅光电池的PN结相当于电流源，当与外电路接通时，会有电流通过电路. 在无外加偏压时的硅光电池的正向I-U特性曲线如图3所示. 由图3可知，在相同光照强度下，硅光电池的输出电压与电流呈非线性变化，当PN结的正向电流全部抵消其光电流时，硅光电池的光生电压趋于稳定达到开路电压.

图3 不同光照强度下硅光电池的伏安特性

不同光照强度对硅光电池的伏安特性有明显影响. 在相同负载下，光照越强，硅光电池的输出功率也越大，硅光电池的内阻随光照强度增加而减小. 在纯电阻电路中，当外电路负载与硅光电池的内阻相等时，其输出功率达到最大，如图4所示.

图4 不同光照强度下硅光电池的输出特性

在室温条件下，根据硅光电池的输出特性，计算其基本参量如表1所示. 随光照强度增加，硅光电池的Uoc,Isc和Pm增大，内阻减小.

表1 不同光照强度下硅光电池的基本特性参量

2.3 硅光电池的Uoc和Isc与光照强度关系

硅光电池的Uoc与Isc随光照强度变化如图5所示. 由图5可知，硅光电池的Uoc随着光照强度的增加而非线性增大，光照强度较小时，电压变化率较大，当达到一定光照强度后，电压变化率较小[4,6]. 硅光电池的Uoc与E呈对数关系：

Uoc=0.31+0.03lnE.

硅光电池的Isc随光照强度增加而线性增大[4,6]. 硅光电池的Isc与E呈线性关系：

Isc=-2.1×10-4+1.4×10-4E.

图5 硅光电池的开路电压、短路电流随光照强度变化

2.4 硅光电池的输出电压与光照强度关系

硅光电池的输出电压与光照强度依赖关系如图6所示. 由图6可知，在相同光照强度下，负载越大，硅光电池的输出电压越大. 在所选定的光照强度范围内，较小负载情况下(R=100 Ω)，硅光电池的输出电压随光照强度增加而线性增大；随着负载增大(R=1 000 Ω)，一定光照强度范围内，硅光电池的输出电压与光照强度呈线性关系；当光照更强时，呈非线性关系；随着负载继续增大(R=5 000 Ω,10 000Ω)，硅光电池的输出电压与光照强度呈非线性关系.

图6 不同负载下硅光电池的输出电压随光照强度变化

2.5 硅光电池的Uoc和Isc与温度关系

硅光电池的输出功率与环境温度密切相关，如图7所示. 由图7可知，Uoc随温度升高而线性减小，温度系数为-2.2 mV/℃；Isc随温度升高而线性增大，温度系数为0.3 μA/℃. 当温度超过200 ℃，硅光电池会损坏[8]. 因此，硅光电池应该安装在日照强无阴影处并且电池上下面空气流通，保持尽可能低的温度.

图7 硅光电池的Uoc与Isc随温度变化

3 结束语

设计了硅光电池系列实验，内容涉及了硅光电池的伏安特性、光照输出特性和温度特性等. 该实验旨在让学生掌握硅光电池的基本特性和重要参量，内容包含电学和光度学知识. 本实验的设计原理、方法可行，测量数据可靠，该实验已在我校大学物理基础实验课程中开设多年，教学效果良好.