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PN结光生伏特效应光谱特性研究（实验六） 实验概述 基本原理 实验系统 实验步骤 数据处理 实验重难点 实验概述 光生伏特效应是半导体中重要的物理效应,只要有内建电势存在就会产生此效应。 光伏效应是太阳电池和多种光伏敏感器件的物理基础，测量光伏响应特性的方法有直流法和交流法。本实验采用直流法测量。 实验目的：通过硅电池直流法光谱响应测量及其数据处理，掌握其实验方法，体会影响光伏效应的种种因素，以增强实验研究能力。 实验原理 一. 光电池的基本结构 1 如右图，面积为2×2cm2，这种结构是为提高光电转换效率而设计的． 2 栅型电极是为了增加光注入 3 减反射膜厚度为光谱响应峰值波长的1/4，目的是减少硅表面光反射损失．反射膜折射率为: 4 层(向光面),厚度0.3um左右,近似为P-N结深度. Pn结为浅结是为了提高电池高能光谱效应． 实验原理 二.光谱响应 半导体GaAs和Si对各种不同波长λ的光的吸收系数α有如图所示的分布. 势垒区两侧一个扩散长度范围内光产生的电子-空穴对才可以被电极收集，形成光电流.如右图. 光谱响应范围:400-1000nm. 输出特性:Voc随光强增加很快趋于饱和,与面积无关. Isc与光强和光照面积成正比. 如图设电池光照面为X=0，并设少子扩散长度Ln＞H,光生少子全部被PN结吸收并收集.同时定义两个重要参数: 等量子光谱响应 ：一个一定波长的入射光子所能产生并被收集的电子数为: 等能量光谱响应：单位能量某一波长的光照到电池上所产生的光电流: 这样我们得到光电流密度为: (6.5-6.6) 其中 是阳光中波长为 ,带宽为 的入射光子数. 从以上两式可以得到电池光电流由太阳光谱分布和电池光谱的响应两大因素决定. 独立于太阳光谱外的电池光谱响应,是电池自身所有影响光生非子产生和收集的诸因素的概括.这些因素的定量分析,必须依赖单色光电流的理论描述,通过连续性方程可求解.  具体推导过程请参考课本54-55页.在给定波长下，单位光谱带宽的电池光电流由三部分组成: 1. N区少子空穴电流(54-6.11) 2. P区少子电子电流(54-6.15) 3. 势垒区光产生非子电流(54-6.16) 从表达式中可以看到光电池单色光电流响应是其材料参数（禁带宽度，扩散系数，寿命，电阻率，吸收系数），结构参数和表面复合速度的函数,参考56页6.1-6.4图可以看出各个参数的影响。 其中6.4图表明表面复合对电池光谱响应影响很大，尤其是高能光谱响应。 实验系统 系统由光源,分光光度计,微安表组成. 1 光源:钨灯提供 2 分光光度计:提供准单色光.利用分光棱镜的色散作用,把复色光分解成单色光. 3 微安表:读出单色光短路电流值(注意极性的正负). 实验步骤 1. 打开光源稳流稳压源(已选钨灯。其他无需打开)。 2． 将太阳电池样品夹于暗室内，处于光路中，外接微安表；让波长（转动旋钮1）为500-600nm的范围，使光斑正射于电池上。若微安表指针反转，应及时换接电极。（注：用电流表判断电池极性） 3． 选择适当的狭缝宽度（实验一般选1.1~1.3）。一般短波段选较大狭缝，长波段选较小 由狭缝、波长值，查表并记录各单色光光能量值。上机做数据处理 。 数据处理 2.基区少子扩散长度Ln。 有三种方法可以求出Ln。具体方法见课本的58页。 3.电池背面复合速度Sn。 由式6－15恒等变换可得到n/p电池背面复合速度Sn的显示表达式。见6－20式。 4.电池表面复合速度Sp。 同样用6－11式可以推导出Sp的表达式，见6－21式。 5.依实验结果综合分析光谱响应特性及其成因。 实验重难点 请同学们认真阅读55-56页的文字,理解每个电池结构参数对电池光谱响应的影响,这部分是太阳电池结构设计的重要依据. 请同学思考56-6-4图:为什么在高能区域电池的光谱响应反而下降?结合56-图6.3理解影响电池光谱响应的因素. * * 5 金属底电极(欧姆接触),在其表面镀一层减反膜可减少反射损失