硅光电池开路电压与光信号之间的关系

摘要：信息化时代中，新型能源得到了空前的发展，其中光能源成为广泛运用的新能源之一。硅光电池是我们熟悉的光能的利用范例。本文介绍了大学物理实验中硅光电池光照实验中，在同负载的情况下，电流会随着光照强度的增加而增加，电压也随之变化，而这种不同光照的作用下电压表显示的不同的电压值的硅光电池的开路电压特性。文章结合硅光电池的原理特性以及伏安特性分析了硅光电池开路电压与光信号之间的关系。

关键词：硅光电池；开路电压；光信号；关系

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）08-0251-02

一、硅光电池原理及运用

硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件。其具有较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等，因而得到广泛应用。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，用此技术制作的光电池使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。[1]硅光电池的应用方面：光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。目前半导体光敏传感器在数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现代科技发展中起到了十分重要的作用。能源利用方面，硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。光电检测器件方面，用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光增加准直、电影还音等设备的光感受器。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，光电池的种类很多，常见的有硒、硅、砷化镓、氧化铜、硫化铊、硫化镉等，其中最受重视、应用最广的是硅光电池。光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有两种基本类型的半导体材料，分别叫做正电型（或P型态）和负电型（或N型态）。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用半导体pn结（pn junction）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池（solar cell）。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。

二、硅光电池光照实验

在硅光电池光照试验中硅光电池负载为零时，短路电流在相当大的范围由与光照度成线性关系；而开路电压与光照度的关系，显非线性。因此，由实验知，负载电阻愈小，光电流与照度之间线性关系愈好。且线性范围宽。光功率计中的内部电路，须达到在待测量光照度的范围内，其等效电阻大小达到规定小的要求。并且通过实验我们探究到光电池具有以下几个基本特性：光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换率高，能耐高温辐射等。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结。因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。硅光电池光照实验原理如下：在P型硅片上扩散一层极薄的N型层，形成PN结，再在该硅片的上下两面各制一个电极（其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射。），当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子-空穴对。[2]它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达PN结附近时受PN结内电场的作用，空穴向P区迁移，使P区显示正性，电子向N区迁移，使N区带负电，因此在PN结上产生了电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理，这种原理不需外加电源而能直接把光能转换成电能。在硅光电池光照实验中，硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照强度Ee的特性曲线称为开路电压曲线，也可以是硅光电池的电动势与入射光强之间的特性曲线称为开路电压曲线，而开路电压可直接用电位差计读（当所测电压超过电位差计量程时，自行设法扩大量程）。

三、硅光电池开路电压与光信号的关系

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。电池在开路状态下的端电压称为开路电压。硅光电池照度越大，短路电流越大，开路电压越大，但开路电压影响不大电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。电池的开路电压用V开表示，即V开=Ф+-Ф-，其中Ф+、Ф-分别为电池的正负极电极电位。[3]光信号发生器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。在我们实际的电路的运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，发射头发出激光信号，信号通过光纤传播到目的，利用的是激光的集中度高，和反射原理如果在设计之初没有考虑这些情况，有的将会产生灾难性后果。任意波发生器可以帮您完成实验，仿真实际电路，对您的设计进行全面的测试。由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，有些任意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。电池的开路电压，一般均小于它的电动势。这是因为电池的两极在电解液溶液中所建立的电极电位，通常并非平衡电极电位，而是稳定电极电位。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的；光照特性；频率响应；温度特性：温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况；以及稳定性。短路电流随温度上升却是缓慢增加的。硅光电池是近几年，国际上的准双光束紫外可见分光光度计使用最多的一种硅光电池。它被分为可见区使用的硅光电池和紫外可见区使用的硅光电池两种，可见区使用的硅光电池的光谱响应范围一般为320～1100nm，一般峰值波长位置在960nm左右。如日本浜松公司的S1337-16BR、S13 37-3 3BR等硅光电池就是。紫外可见区使用的硅光电池，其光谱响应范围一般为190～1100nm，一般峰值波长位置也在960nm左右，如S13 37-BQ、S133 6-8BQ、S23 87SERIES等硅光电池。[4]但近几年，国外有些硅光电池的光谱响应波长峰值可在400～500nm，如日本浜松公司的S7505硅光电池，其波长范围为400～540nm，峰值位置在460nm；日本浜松公司的S7686硅光电池，其波长范围为480～660nm。峰值位置在550nm。还有峰值位置在254nm的、更适合紫外可见分光光度计的使用的硅光电池，如日本浜松公司的S26 48-2 54型硅光电池，其峰值位置在254nm。光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。而且在光照度为20001x时就趋于饱和，在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结，当光照射P区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度，若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。[5]

光信号就是说在光里面加入一些元素，使得在光的传播中带着这些信息，光是电磁波，比如改变这束光的偏振方向，代表0，未改变的代表1，那么在接收端就能收到信号，然后通过转换成类似1.0.0.1的信号。通过实验我们得出硅光电池负载为零时，短路电流在相当大的范围由与光照度成线性关系；光功率计中的内部电路，须达到在待测量光照度的范围内，其等效电阻大小达到规定小的要求。特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池作屋顶、以下按其材料分类，展示光伏技术、产业及市场发展动向。它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等系统也有运用到这种能量转换。

参考文献：

[1]路勇.电子电路实验及仿真[M].北京：清华大学出版社、北方交通大学出版社，2006：58-62.

[2]杨述武.普通物理实验（三、光学部分）[M].第三版.北京：高等教育出版社2000：43-69.

[3]汪建章，潘洪明.大学物理实验[M].杭州：浙江大学出版社2004：196.

[4]曲洪丰，光电探测器特性一体化实验系统研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]宋爱琴，硅光电池特性的研究[J].实验室科学，2011，（02）.

作者简介：罗浩文（1977-），男，电子科技大学物理电子学院教师，工程师，主要研究方向为无线电物理及物理实验教学。