半导体光生伏特效应

实验PN结光生伏特效应一、实验目的测量硅太阳电池的光谱响应特性，及进行数据处理，使学生掌握pn结光伏效应，了解影响光伏效应的因素；增强学生对光伏效应的应用及对实际器件性能的理解，并提高学生实验研究和设计能力。二、实验原理光垂直于PN结结面照射时，能量大于禁带宽度的光子因本征吸收而产生电子-空穴对。势垒区外一个扩散长度内的光生少子，受pn结内建电场的作用被扫到对方，在n区、p区分别形成电子、空穴积累，产生一光生电动势。光生电动势给pn结以正向偏压，于是pn结内部既有由n区指向p区的光生电流𝐼𝐿，同时又有与𝐼𝐿反向的正向电流𝐼𝐹。在稳定光照下，开路pn结内，𝐼𝐿=𝐼𝐹，形成一稳定光生电压。短路情况下，𝐼𝐹=0，光生电流全部流经外电路。这种由内建电场引起的光电效应，称为光生伏特效应。太阳电池就是此效应最直接的应用，本实验以太阳电池为例对光生伏特效应进行测量。实验系统如图1所示。图1太阳电池测试系统三、实验内容测量太阳电池的光谱响应短路电流，开路电压，以及光功率曲线；获得最大电流、电压、功率的光波长。四、实验仪器与样品WDF反射式单色仪，光源，722-2000型分光光度计，微电流仪，光功率计，六位半繁用表。单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池芯片样品。五、实验步骤采用722-2000型分光光度计作为单色光源测试1.打开分光光度计电源开关，预热15分钟以上。2.被测样品与繁用表串联。将被测样品放入分光光度计的样品室，关闭盖子。打开繁用表电源。3.按分光光度计“方式”按钮直至“吸光度”标示灯亮；繁用表调至电流测试的“μA”档，开始测试。4.旋转“波长”旋钮来确定光波长，记录六个以上波长的短路光生电流。5.被测样品与繁用表并联，繁用表调至电压测试的“mV”档，在上面测量光生电流的波长再记录光生伏特。6.用光功率计标定上面测试的六组波长λ下的光能量值。六、数据处理开路电压、短路电流、功率随光波波长的变化曲线分别如图所示。图1开路电压-波长关系图2短路电流-波长关系图3功率-波长关系可以看出，开路电压、短路电流和功率随波长变化的趋势相同：在小于550nm的波段缓慢增加；在约550nm～600nm波段迅速增加，在约600nm处取得峰值；在600nm～750nm处波段基本维持不变；在大于700nm处波段出现波动。其中开路电压最大值2.79mV，对应的波长605.2nm；短路电流最大值为1.01A，对应的波长611.5nm；功率最大值为2.825nW，对应的波长609.4nm。随着光的波长的增加，先增加，再起伏，再减小，都有一个峰值，但还是有一定误差。七、讨论题1.太阳电池是三维器件，却用一维少子连续性方程解得光电流。试问这个一维模型的合理性如何？合理。光注入时，y、z两个方向的非平衡载流子分布均匀，只沿x方向是不均匀分布的，因此只在研究x方向扩散是有意义的。2.误差分析①改变光照后，太阳能电池需要一定时间才能达到新的稳态，实验中由于操作过程太快，可能读数是不是稳态下的开路电压（短路电流）；②由于没有在同一波长下同时测开路电压和短路电流，因此计算功率时只能将二者的拟合曲线相乘，导致功率曲线有误差；八．实验思考与总结可以考虑同时给太阳电池串联和并联两台繁用表，串联的用于测短路电流，并联的用于测开路电压，这样可以同时读取同一个波长下的开路电压和短路电流，使功率计算更加准确。