硅光電池實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

代如成，郭 強(qiáng)，王中平，張?jiān)雒鳎瑢O臘珍

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理學(xué)院，安徽 合肥 230026)

在光照射作用下，物質(zhì)吸收光子能量并且激發(fā)自由電子的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，其主要包括光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏(特)效應(yīng). 光伏效應(yīng)是指一定波長(zhǎng)的光照射在非均勻半導(dǎo)體(特別是PN結(jié))上，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，半導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生光電壓的現(xiàn)象. 硅光電池是基于光伏效應(yīng)能夠?qū)⒐饽苤苯愚D(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，它具有轉(zhuǎn)換效率高、重量輕、使用安全、無(wú)污染等特點(diǎn)，在光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)以及光能利用等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)原理

硅光電池的核心是大面積的光電二極管，在沒有光照的情況下，硅光電池可以看作PN結(jié)二極管，其電流與電壓關(guān)系可以表示為[1]

(1)

式中，U為硅光電池兩端電壓，T為熱力學(xué)溫度，q為電子電荷，k為玻爾茲曼常量，n為二極管的品質(zhì)因子,I0為硅光電池的反向飽和暗電流(主要由半導(dǎo)體材料的禁帶寬度決定),Id為流過(guò)硅光電池的電流.

在光照的情況下，硅光電池可以看作恒流源與正偏理想二極管的并聯(lián). 對(duì)于實(shí)際的硅光電池而言，其等效電路要復(fù)雜得多，需要考慮PN結(jié)的品質(zhì)和實(shí)際存在的串聯(lián)電阻Rs和并聯(lián)電阻Rsh[2-3]. 其中串聯(lián)電阻來(lái)源于半導(dǎo)體材料的體電阻、電極與半導(dǎo)體接觸電阻以及電極金屬的電阻. 并聯(lián)電阻是由于PN結(jié)漏電產(chǎn)生的，包括繞過(guò)電池邊緣漏電、PN結(jié)區(qū)域存在晶體缺陷和雜質(zhì)所引起的內(nèi)部漏電. 在光照時(shí)，硅光電池產(chǎn)生一定的光生電流Iph，其中一部分流過(guò)PN結(jié)為暗電流Id，另一部分為供給負(fù)載電流I，其等效電路如圖1所示[2-3].

圖1 硅光電池的等效電路

因此考慮串并聯(lián)電阻后，硅光電池的電流與電壓關(guān)系表示為

I=Iph-Id-Ish=

式中，I為流過(guò)負(fù)載R的電流，Iph為光生電流，Id為流過(guò)二極管電流，Ish為流過(guò)并聯(lián)電阻Rsh的電流,n為硅光電池PN結(jié)的品質(zhì)因子(正偏壓大時(shí)n值為1；正偏壓小時(shí)n值為2).

傳統(tǒng)電池的輸出電壓和輸出功率是恒定的，但是硅光電池的輸出電壓、電流及其功率與光照條件和負(fù)載都有很大關(guān)系. 通常采用以下參量來(lái)表征太陽(yáng)能電池的性能：短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大輸出功率Pm、填充因子FF以及轉(zhuǎn)換效率η[4-5].

2 結(jié)果與分析

2.1 硅光電池的暗伏安特性曲線

全暗情況下硅光電池的正向I-U特性曲線如圖2所示，硅光電池的暗伏安特性表現(xiàn)出與普通二極管類似的伏安特性. 由圖2可見，當(dāng)硅光電池的正向電壓較小時(shí)，正向電流較小，幾乎為零. 當(dāng)硅光電池兩端電壓超過(guò)死區(qū)電壓時(shí)，正向電流才迅速增大，電流與電壓的關(guān)系基本上是指數(shù)曲線. 根據(jù)式(1)，由最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到，I0=3.8×10-2mA，n=6.5.

圖2 硅光電池的暗伏安特性

太陽(yáng)能電池始終有雜質(zhì)和缺陷，有些是硅片本身就有的，有些是在工藝中形成的. 這些雜質(zhì)和缺陷起到復(fù)合中心的作用，可以俘獲空穴和電子使之復(fù)合，必然會(huì)有微小的電流產(chǎn)生，這些電流對(duì)硅光電池的暗電流有貢獻(xiàn)，它們共同導(dǎo)致了非理想二極管特性[3].

2.2 硅光電池的光照伏安特性曲線

在光照情況下，硅光電池的PN結(jié)相當(dāng)于電流源，當(dāng)與外電路接通時(shí)，會(huì)有電流通過(guò)電路. 在無(wú)外加偏壓時(shí)的硅光電池的正向I-U特性曲線如圖3所示. 由圖3可知，在相同光照強(qiáng)度下，硅光電池的輸出電壓與電流呈非線性變化，當(dāng)PN結(jié)的正向電流全部抵消其光電流時(shí)，硅光電池的光生電壓趨于穩(wěn)定達(dá)到開路電壓.

圖3 不同光照強(qiáng)度下硅光電池的伏安特性

不同光照強(qiáng)度對(duì)硅光電池的伏安特性有明顯影響. 在相同負(fù)載下，光照越強(qiáng)，硅光電池的輸出功率也越大，硅光電池的內(nèi)阻隨光照強(qiáng)度增加而減小. 在純電阻電路中，當(dāng)外電路負(fù)載與硅光電池的內(nèi)阻相等時(shí)，其輸出功率達(dá)到最大，如圖4所示.

圖4 不同光照強(qiáng)度下硅光電池的輸出特性

在室溫條件下，根據(jù)硅光電池的輸出特性，計(jì)算其基本參量如表1所示. 隨光照強(qiáng)度增加，硅光電池的Uoc,Isc和Pm增大，內(nèi)阻減小.

表1 不同光照強(qiáng)度下硅光電池的基本特性參量

2.3 硅光電池的Uoc和Isc與光照強(qiáng)度關(guān)系

硅光電池的Uoc與Isc隨光照強(qiáng)度變化如圖5所示. 由圖5可知，硅光電池的Uoc隨著光照強(qiáng)度的增加而非線性增大，光照強(qiáng)度較小時(shí)，電壓變化率較大，當(dāng)達(dá)到一定光照強(qiáng)度后，電壓變化率較小[4,6]. 硅光電池的Uoc與E呈對(duì)數(shù)關(guān)系：

Uoc=0.31+0.03lnE.

硅光電池的Isc隨光照強(qiáng)度增加而線性增大[4,6]. 硅光電池的Isc與E呈線性關(guān)系：

Isc=-2.1×10-4+1.4×10-4E.

圖5 硅光電池的開路電壓、短路電流隨光照強(qiáng)度變化

2.4 硅光電池的輸出電壓與光照強(qiáng)度關(guān)系

硅光電池的輸出電壓與光照強(qiáng)度依賴關(guān)系如圖6所示. 由圖6可知，在相同光照強(qiáng)度下，負(fù)載越大，硅光電池的輸出電壓越大. 在所選定的光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，較小負(fù)載情況下(R=100 Ω)，硅光電池的輸出電壓隨光照強(qiáng)度增加而線性增大；隨著負(fù)載增大(R=1 000 Ω)，一定光照強(qiáng)度范圍內(nèi)，硅光電池的輸出電壓與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系；當(dāng)光照更強(qiáng)時(shí)，呈非線性關(guān)系；隨著負(fù)載繼續(xù)增大(R=5 000 Ω,10 000Ω)，硅光電池的輸出電壓與光照強(qiáng)度呈非線性關(guān)系.

圖6 不同負(fù)載下硅光電池的輸出電壓隨光照強(qiáng)度變化

2.5 硅光電池的Uoc和Isc與溫度關(guān)系

硅光電池的輸出功率與環(huán)境溫度密切相關(guān)，如圖7所示. 由圖7可知，Uoc隨溫度升高而線性減小，溫度系數(shù)為-2.2 mV/℃；Isc隨溫度升高而線性增大，溫度系數(shù)為0.3 μA/℃. 當(dāng)溫度超過(guò)200 ℃，硅光電池會(huì)損壞[8]. 因此，硅光電池應(yīng)該安裝在日照強(qiáng)無(wú)陰影處并且電池上下面空氣流通，保持盡可能低的溫度.

圖7 硅光電池的Uoc與Isc隨溫度變化

3 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了硅光電池系列實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及了硅光電池的伏安特性、光照輸出特性和溫度特性等. 該實(shí)驗(yàn)旨在讓學(xué)生掌握硅光電池的基本特性和重要參量，內(nèi)容包含電學(xué)和光度學(xué)知識(shí). 本實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理、方法可行，測(cè)量數(shù)據(jù)可靠，該實(shí)驗(yàn)已在我校大學(xué)物理基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程中開設(shè)多年，教學(xué)效果良好.