温度对硅光电池光电特性影响的实验设计

摘 要：基于实验室条件下设计了一种新的电路，利用该电路测试了QY-HS116P型硅光电池在不同温度下的开路电压和短路电流以及负载特性。

关键词：实验设计；温度；光电特性

0 前言

硅光电池是我们常见的一种光电转换器件，它不需要外加电源而能直接把光能转换成电能[1][2]。光电池的种类很多，其中最常见的是硒、硅、砷化镓、硫化镉等，而这些当中工艺最成熟、应用最广泛的是硅光电池[3][4]。它具有不消耗常规能源、光谱响应范围宽、线性响应好、无转动部件、寿命长、维护简单、使用方便、功率大小可任意组合、无噪音、无污染、性能稳定等优点[3][6]。和其他半导体材料的器件一样，硅光电池的工作特性容易受温度的影响。为了保证必要的检测精度需掌握温度对硅光电池的光电特性的影响[7][8]，目前在实验上进行硅光电池光电特性温度影响的测试仪器有TK-PV1 型光伏效应实验仪等，这些仪器全部是封装设备，学生无法了解仪器设备的内部构造及其原理。基于此，从实验室日常的仪器出发，搭建了一种新的可以同时对光通量和光强进行调节的测试电路，并对硅光电池不同温度下的短路电流、开路电压以及负载特性作了初步的研究和分析[9][10][11]。

1 硅光电池的实验电路设计

1.1 实验器材及作用

智能数显温控仪：控制温度的高低，温度控制范围在（30℃-200℃）；光照度计：控制光照强度的大小，控制输出的光通量；大功率白发白LED灯：提供光源；光源驱动（恒流源LED驱动）：给白光LED提供电源驱动；电流表：测量电流的大小；QY-HS116P硅光电池：接收白色LED灯发出的光，并产生光生电流。

1.2 搭建实验平台

根据硅光电池短路电流、开路电压、负载特性的电路原理，进行搭建实验平台。

1）将两只型号相同的白发白LED用小接口连上，并用同一块电源驱动模块给其供电，保持电源的一致性。

2）将其中的一只白发白LED接到温控仪的一端，作为硅光电池的输入光源。

3）将另一只连有相同电源和相同型号的白发白LED接到用于测量光强的光通量。

4）将硅光电池接上导线并和相应的仪器表（电流变、电压表、负载）按照电路原理进行连接，同时接到温控仪的另外一端，用于接受光并产生电流。

2 利用设计电路测试硅光电池的电压、电流、负载的温度特性

2.1 硅光电池的电压、电流温度特性

从实验得到的数据图可得：

1）在常温、光通量为50-750 lx下硅光电池的短路电流与入射光强呈线性关系，短路电流随着温度的升高而增大。

2）随着温度的上升，在相同的光通量的范围内，硅光电池的短路电流呈非线性关系，这主要是由于温度上升，硅光电池P-N结内的电流不再单单是光生电流，在高温下，电子和空穴对有可能获得较大的动能，越过P-N结的禁带宽度，参与导电形成热电流。

3）常温下硅光电池的开路电压与入射光强度的对数成正比。开路电压随入射光强度的增大而增大。但入射光强度越大，开路电压增大得越缓慢。开路电压随着温度的升高而降低。

4）在入射光的强度保持不变的情况下，硅光电池的开路电压和外加温度成线性关系且随外加温度的增加而增大。

2.2 硅光电池负载的温度特性

在外接负载的为100Ω、510Ω、1 KΩ时，硅光电池输出的电流都随光强和温度的升高而增大，但电流增加的幅度随温度的升高而减小。

1）在同一光照下处于高温下的回路电流出现下降的趋势，且随着负载的增大，这种趋势越来越明显。

2）当负载为100Ω时（在550lx光照下，P-N结处于100度下的光电流开始小于温度为90度）。

3）当负载为510Ω时（在350lx光照下，P-N结从70度开始，出现光生电流随温度升高成明显减小）。

4）当负载1K时（在250lx光照下，光生电流已经全部随温度的升高而下降）。

3 总结

由于硅光电池的特性与它的开发利用有着密切关系，因此研究其光电的温度特性显得尤为重要。基于实验室条件下搭建简易的测试电路对硅光电池进行光电的温度特性研究，研究结果表明硅光电池的开路电压随着温度的升高而减少，而短路电流却随着温度的上升而增大。负载特性随着温度、光照强度的变化而变化，因此要获得大功率，要选择合适的负载。实验电路的设计原理、方法可行，测量数据与实验结论和其他仪器设备的测量得出的结论一致。

参考文献：

[1] 嘉宝，刘亚丽等.植物生理学实验[M].北京：北京气象出版社，1995：19.

[2] 宋爱琴.硅光电池特性的研究[J]. 实验室科学， 2011，14（2）：102-104.

[3] 张志良，翟伟箐，李小芳等.植物生理学实验指导[M].北京：高等教育出版社，2003：12-13.

[4] 张兆奎，缪连元，张立.大学物理实验[M].北京：高等教育出版社，2001：315-316.

[5]陈西园，庄兴稼.硅光电池的短路电流的温度特性[J].抚顺石油学院学报，1995，15（1）：64-66.

[6] 张中俊，王婷婷，曾和平.薄膜太阳能电池的研究进展 [J]. 电子元件与材料，2010，（11）：76-78.

[7] 汪建章，潘洪明.大学物理实验 [M]. 杭州：浙江大学出版社.2004：266-267.

[8] 张玮，杨景发，闰其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009，26（9）：42-46.

[9] 北京崇文光电器件厂技术组.半导体光电转换器件——硅光电池[J].物理学和国民经济，1973，（3）：273-276.