普通物理实验III
课程论文
题 目 硅光电池特性研究
学 院 物理科学与技术学院
专 业 物理学
年 级 2014级
学 号 姓 名 李国宇
指 导 教 师 孙凯
论 文 成 绩
答 辩 成 绩
2015 年 11 月 20 日
硅光电池特性研究
李国宇
西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715
摘要：硅光电池电池是一种太阳能电池，具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。经过人们40多年的努力，硅光电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。对硅光电池电池的工作原理和基本特性的研究，有利于我们对硅光电池相关原理和特性的进一步的认识。我们采用FD-OE-4 型太阳能电池基本特性测定仪对硅光电池的基本特性进行了研究并做了如下的工作：在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件，测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式；测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率和填充因子；测量了太阳能电池的短路电池、开路电压与相对光强的关系，并求出他们的近似函数。本文就硅光电池相关原理和现象及有关物理量进行定性或定量的分析。
关键词：硅光电池； PN结；短路电流；开路电压；填充因子
引言
能源是人类发展必不可少的东西。世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。 然而，由于这些化石能源将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭，能源危机已成为世界关注的首要问题之一。为了持续的发展与进步，开发新能源已成为世界各国需要解决的首要问题。太阳能以其具有普遍性、无害性、长久性、大量性等优点已受到科学界普遍的关注。其中，以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。硅光电池是一种半导体光电转换器件,它能把光能直接转换成电能，具有效率高、重量轻、体积小、寿命长等一系列特点。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。本文首先介绍了硅光电池的主要原理，然后通过对硅光电池研究实验的分析，得出硅光电池的基本特性，并对有关物理量进行定性或定量分析。
1 实验原理
1．1 PN结的形成及单向导电性
硅光电池的核心部件是一个大面积的PN结。采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。如图１所示， 代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电；代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），即P区的空穴浓度远远高于N区，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。
图1 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
Fig.1 The depletion region of semiconductor PN junction at zero bias, reverse bias,
positive bias
图1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N
型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻
止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。
1．2 硅光电池的工作原理
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。光电池的基本结构如图2，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，
图2 光电池结构示意图
Fig.2 The schematic diagram of optical cell structure
激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（1）确定
I=
普通物理实验III
课程论文
题 目 硅光电池特性研究
学 院 物理科学与技术学院
专 业 物理学
年 级 2014级
学 号 姓 名 李国宇
指 导 教 师 孙凯
论 文 成 绩
答 辩 成 绩
2015 年 11 月 20 日
硅光电池特性研究
李国宇
西南大学物理科学与技术学院，重庆 400715
摘要：硅光电池电池是一种太阳能电池，具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。经过人们40多年的努力，硅光电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。对硅光电池电池的工作原理和基本特性的研究，有利于我们对硅光电池相关原理和特性的进一步的认识。我们采用FD-OE-4 型太阳能电池基本特性测定仪对硅光电池的基本特性进行了研究并做了如下的工作：在没有光照时，太阳能电池作为一个二极器件，测量在正向偏压时该二极器件的伏安特性曲线，并求出其正向偏压时，电压与电流关系的经验公式；测量太阳能电池的短路电流、开路电压、最大输出功率和填充因子；测量了太阳能电池的短路电池、开路电压与相对光强的关系，并求出他们的近似函数。本文就硅光电池相关原理和现象及有关物理量进行定性或定量的分析。
关键词：硅光电池； PN结；短路电流；开路电压；填充因子
引言
能源是人类发展必不可少的东西。世界经济的现代化，得益于化石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。 然而，由于这些化石能源将在21世纪上半叶迅速地接近枯竭，能源危机已成为世界关注的首要问题之一。为了持续的发展与进步，开发新能源已成为世界各国需要解决的首要问题。太阳能以其具有普遍性、无害性、长久性、大量性等优点已受到科学界普遍的关注。其中，以硅太阳能电池作为绿色能源其开发和利用大有发展前景。硅光电池是一种半导体光电转换器件,它能把光能直接转换成电能，具有效率高、重量轻、体积小、寿命长等一系列特点。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。深刻理解硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理﹑光电效应理论和光伏电池产生机理。本文首先介绍了硅光电池的主要原理，然后通过对硅光电池研究实验的分析，得出硅光电池的基本特性，并对有关物理量进行定性或定量分析。
1 实验原理
1．1 PN结的形成及单向导电性
硅光电池的核心部件是一个大面积的PN结。采用反型工艺在一块N型（P型）半导体的局部掺入浓度较大的三价（五价）杂质，使其变为P型（N型）半导体。如果采用特殊工艺措施，使一块硅片的一边为P型半导体，另一边为N型半导体则在P型半导体和N型半导体的交界面附近形成PN结。PN结是构成各种半导体器件的基础，许多半导体器件都含有PN结。如图１所示， 代表得到一个电子的三价杂质（例如硼）离子，带负电；代表失去一个电子的五价杂质（例如磷）离子，带正电。由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），即P区的空穴浓度远远高于N区，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。
图1 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区
Fig.1 The depletion region of semiconductor PN junction at zero bias, reverse bias,
positive bias
图1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N
型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻
止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。
1．2 硅光电池的工作原理
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。光电池的基本结构如图2，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，
图2 光电池结构示意图
Fig.2 The schematic diagram of optical cell structure
激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（1）确定
I=