測量硅光電池伏安特性曲線的改進研究

喻秋山 方超（等）

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

關鍵詞：硅電池；伏安特性；示波器

中圖分類號：TM914 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）32-0021-02

硅光電池產生的光伏效應由于具有光譜響應范圍寬、速度快、壽命長、使用方便、性能穩定等優點而在光強輻射探測有著重要的應用。然而，由于硅光電池的光伏效應和內阻之間的伏安特性變化呈現非線性變化，使得其曲線的數據測定存在較大困難，限制了其在光電信號強度探測中的應用。因而對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和示波器進行硅光電池伏安特性曲線的快速、準確測量方法。

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。硅光電池是一個大面積的光電二極管，可視為一個半導體P-N結二極管與一個光生電流源的組合體。電路中電流關系式為：

式中：

Iph—入射光產生的由N區到P區的光生電流強度

IS—二極管反向漏電流

e—電子電量

k—玻耳茲曼常量

T—P-N結的工作熱力學溫度

v—結偏置電壓

2 硅光電池的伏安特性曲線的改進測量

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合體，改變負載RL就可得到不同的電壓和電流值，這些電流與電壓的關系曲線稱為硅光電池的伏安特性曲線。這種方法對于內阻變化的硅光電池測量存在著不利因素：（1）費時較長，需要使用電壓表和電流表連續多點測量，然后在記錄紙上通過描點、連線來獲得特性曲線。（2）因硅光電池內阻與負載、光照強度等均有關，參數復雜，伏安特性曲線只能近似獲得某種情況下的曲線。為此，如何實現快速、準確測量成為該實驗的改進方向，改進方案如下。

2.2 測量硅光電池伏安特性曲線方法的改進

（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，在一定光強照射下，硅光電池將產生光電壓U1，與一極性相反、大小可調的電源相接。當外電源E的電壓與光電池電壓U1剛好相等時，回路中電流將為零，即串聯的可變電阻上電壓（U2=IR）為零，此時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，此時即可得到負載一定情況下的硅光電池伏安特性曲線，但實驗數據的測量還需手動測量與記錄，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。為此，在此基礎上，采用示波器和正弦交流信號代替電壓表和可調電源進行改進，可實現測量的快速、自動化顯示與測量。

2.3 基于示波器和交流信號的硅光電池的伏安特性曲線測量

實驗的設計原理如下：采用變壓器TR1的次級線圈產生的50Hz交流電壓作為示波器的掃描信號，使硅光電池兩端獲得一個變化的電壓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。因示波器的信號端的輸入阻抗很高，可近似視為開路，故電流I全部流經取樣電阻。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。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，當掃描電壓為零時，由于回路中存在電流，故取樣電阻R0上面有一個電壓降，所以這時光電池兩端的電壓U并不為零，而是大于零。這就給出特性曲線上的a點，如圖2（b）中所示。在掃描電壓正半周時，當電壓由零逐漸增大，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，回路中電流I就為零，這對應特性曲線上的b點，顯然，這時掃描電壓就等于光電池兩端電壓Uo，也就是開路電壓Uoc。當掃描電壓繼續增大，則光電池兩端電壓U大于Uoc，，回路中電流I變為負值（反

向），這對應特性曲線上的bc段。

由以上分析可見，掃描電壓的峰值應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，當掃描電壓增大到剛好和R0上的電壓相抵消，則U=0，對應特性曲線上的d點，這時的電流顯然就是短路電流Isc。掃描電壓繼續增大，U變為負值，這對應特性曲線上de段。

3 實驗測量結果的分析與討論

通過對示波器上的數據進行測量和讀取后，用origin軟件進行處理后得到如圖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，對應的電流I=U2/R0；X軸上表示的是硅光電池兩端的電壓變化。從圖中可以看出實驗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，達到了預期目的。

圖3 光電池伏安特性曲線掃描曲線示意圖

4 結語

本實驗的改進方案可實現快速測量硅光電池的伏安特性曲線與顯示，也可以對二極管、固定電阻等的伏安特性快速測定，具有直觀、快捷的優點。若將所測數據經A/D轉換后經單片機系統進行數據處理可以實現測量的智能化和自動化。

參考文獻

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