測量硅光電池伏安特性曲線的改進(jìn)研究

喻秋山 方超（等）

摘要：文章基于伏安法測電阻的基本原理，對(duì)現(xiàn)有硅光電池的伏安特性測量方法進(jìn)行改進(jìn)，利用交流電壓信號(hào)和雙通道示波器的X-Y信道輸入實(shí)現(xiàn)硅光電池的伏安特性曲線快速測量與顯示。

關(guān)鍵詞：硅電池；伏安特性；示波器

中圖分類號(hào)：TM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）32-0021-02

硅光電池產(chǎn)生的光伏效應(yīng)由于具有光譜響應(yīng)范圍寬、速度快、壽命長、使用方便、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而在光強(qiáng)輻射探測有著重要的應(yīng)用。然而，由于硅光電池的光伏效應(yīng)和內(nèi)阻之間的伏安特性變化呈現(xiàn)非線性變化，使得其曲線的數(shù)據(jù)測定存在較大困難，限制了其在光電信號(hào)強(qiáng)度探測中的應(yīng)用。因而對(duì)光電池的伏安特性研究也引起人們的重視。本文為解決這一需要提出一種使用交流信號(hào)和示波器進(jìn)行硅光電池伏安特性曲線的快速、準(zhǔn)確測量方法。

1 硅光電池的工作原理

硅光電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)。硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，可視為一個(gè)半導(dǎo)體P-N結(jié)二極管與一個(gè)光生電流源的組合體。電路中電流關(guān)系式為：

式中：

Iph—入射光產(chǎn)生的由N區(qū)到P區(qū)的光生電流強(qiáng)度

IS—二極管反向漏電流

e—電子電量

k—玻耳茲曼常量

T—P-N結(jié)的工作熱力學(xué)溫度

v—結(jié)偏置電壓

2 硅光電池的伏安特性曲線的改進(jìn)測量

2.1 硅光電池的伏安特性曲線測量原理

如圖1（a）中所示，硅光電池可視為一純電阻和恒流源的復(fù)合體，改變負(fù)載RL就可得到不同的電壓和電流值，這些電流與電壓的關(guān)系曲線稱為硅光電池的伏安特性曲線。這種方法對(duì)于內(nèi)阻變化的硅光電池測量存在著不利因素：（1）費(fèi)時(shí)較長，需要使用電壓表和電流表連續(xù)多點(diǎn)測量，然后在記錄紙上通過描點(diǎn)、連線來獲得特性曲線。（2）因硅光電池內(nèi)阻與負(fù)載、光照強(qiáng)度等均有關(guān)，參數(shù)復(fù)雜，伏安特性曲線只能近似獲得某種情況下的曲線。為此，如何實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確測量成為該實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方向，改進(jìn)方案如下。

2.2 測量硅光電池伏安特性曲線方法的改進(jìn)

（a） （b）

圖1 硅光電池伏安特性曲線測量原理示意圖

如圖1（b）所示，在一定光強(qiáng)照射下，硅光電池將產(chǎn)生光電壓U1，與一極性相反、大小可調(diào)的電源相接。當(dāng)外電源E的電壓與光電池電壓U1剛好相等時(shí)，回路中電流將為零，即串聯(lián)的可變電阻上電壓（U2=IR）為零，此時(shí)即可得到的光電池的開路電壓Uoc；將電源E的電壓逐漸由大減小到零，此時(shí)即可得到負(fù)載一定情況下的硅光電池伏安特性曲線，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測量還需手動(dòng)測量與記錄，且非理想電壓表U1、U2仍然存在電流分流的影響，且不能獲得方向電壓情況下的伏安特性參數(shù)。為此，在此基礎(chǔ)上，采用示波器和正弦交流信號(hào)代替電壓表和可調(diào)電源進(jìn)行改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)測量的快速、自動(dòng)化顯示與測量。

2.3 基于示波器和交流信號(hào)的硅光電池的伏安特性曲線測量

實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)原理如下：采用變壓器TR1的次級(jí)線圈產(chǎn)生的50Hz交流電壓作為示波器的掃描信號(hào)，使硅光電池兩端獲得一個(gè)變化的電壓U，隨著掃描電壓的變化，回路中通過低值電流取樣電阻R0（電阻箱的精密電阻）的電流I也隨之變化。因示波器的信號(hào)端的輸入阻抗很高，可近似視為開路，故電流I全部流經(jīng)取樣電阻。而其兩端的電壓與I成正比，將此電壓送到示波器的Y2輸入端，則顯示屏Y軸方向上就顯示流過取樣電阻R0的電流大小變化訊號(hào)。再將光電池兩端的電壓U加到示波器的X偏向板上，示波管的顯示屏上就出現(xiàn)光電池的伏安特性曲線，其電路原理如圖2（a）所示。

（a） （b）

圖2 使用示波器測硅光電池伏安特性曲線示意圖

在光照一定的情況下，當(dāng)掃描電壓為零時(shí)，由于回路中存在電流，故取樣電阻R0上面有一個(gè)電壓降，所以這時(shí)光電池兩端的電壓U并不為零，而是大于零。這就給出特性曲線上的a點(diǎn)，如圖2（b）中所示。在掃描電壓正半周時(shí)，當(dāng)電壓由零逐漸增大，光電池兩端電壓U也逐漸增大，電流

逐漸減小，在掃描電壓增大到剛好使

時(shí)，回路中電流I就為零，這對(duì)應(yīng)特性曲線上的b點(diǎn)，顯然，這時(shí)掃描電壓就等于光電池兩端電壓Uo，也就是開路電壓Uoc。當(dāng)掃描電壓繼續(xù)增大，則光電池兩端電壓U大于Uoc，，回路中電流I變?yōu)樨?fù)值（反

向），這對(duì)應(yīng)特性曲線上的bc段。

由以上分析可見，掃描電壓的峰值應(yīng)略大于所測光電池可能的最大開路電壓（Uoc）。例如單片光電池的可能最大開路電壓為0.6V，我們就選掃描電壓的峰值為0.7V（有效值約為0.5V）；在負(fù)半周，掃描電壓和R0上的電壓方向相反，所以隨著掃描電壓的增大，光電池兩端電壓逐漸減小，當(dāng)掃描電壓增大到剛好和R0上的電壓相抵消，則U=0，對(duì)應(yīng)特性曲線上的d點(diǎn)，這時(shí)的電流顯然就是短路電流Isc。掃描電壓繼續(xù)增大，U變?yōu)樨?fù)值，這對(duì)應(yīng)特性曲線上de段。

3 實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的分析與討論

通過對(duì)示波器上的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量和讀取后，用origin軟件進(jìn)行處理后得到如圖3所示的硅光電電池伏安特性曲線。其中，Y軸表示的是取樣電阻上的電壓，對(duì)應(yīng)的電流I=U2/R0；X軸上表示的是硅光電池兩端的電壓變化。從圖中可以看出實(shí)驗(yàn)曲線與硅光電池的伏安特性曲線圖2（b）中曲線變化特征相同，達(dá)到了預(yù)期目的。

圖3 光電池伏安特性曲線掃描曲線示意圖

4 結(jié)語

本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案可實(shí)現(xiàn)快速測量硅光電池的伏安特性曲線與顯示，也可以對(duì)二極管、固定電阻等的伏安特性快速測定，具有直觀、快捷的優(yōu)點(diǎn)。若將所測數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理可以實(shí)現(xiàn)測量的智能化和自動(dòng)化。

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基金項(xiàng)目：2012年度長江大學(xué)“國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃”，項(xiàng)目編號(hào)：201210489331