硅光电池开路电压与光信号之间的关系

２０１４年２月　教育教学论坛　Ｆｅｂ．２０１　４　第８期　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵ卜１　ＮＯ．８　硅光电池开路电压与光信号之间的关系　罗浩文　（电子科技大学物理电子学院，四川成都６１００５４）　摘要：信息化时代中，新型能源得到了空前的发展，其中光能源成为广泛运用的新能源之一。硅光电池是我们熟悉的　光能的利用范例。本文介绍了大学物理实验中硅光电池光照实验中，在同负载的情况下，电流会随着光照强度的增加而　增加，电压也随之变化，而这种不同光照的作用下电压表显示的不同的电压值的硅光电池的开路电压特性。文章结合硅　光电池的原理特性以及伏安特性分析了硅光电池开路电压与光信号之间的关系。　关键词：硅光电池；开路电压；光信号；关系　中图分类号：Ｇ６４２．４２３　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—９３２４（２０１４）０８—０２５１—０２　一、硅光电池原理及运用　结。因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和　硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件。其具有　野外便携式仪器等的能源。硅光电池光照实验原理如下：在　较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转　Ｐ型硅片上扩散一层极薄的Ｎ型层，形成ＰＮ结，再在该硅片　换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便　的上下两面各制一个电极（其中光照面的电极成“梳状”，并　等，因而得到广泛应用。硅光电池是一种直接把光能转换成　在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射　），当光照射在硅　电能的半导体器件，用此技术制作的光电池使用方便，特别　光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光　是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加　子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。圜它们在运动　快捷。『１＿硅光电池的应用方面：光敏传感器的基础是光电效　中一部分重新复合，其余部分在到达ＰＮ结附近时受ＰＮ结内　应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导　电场的作用，空穴向Ｐ区迁移，使Ｐ区显示正性，电子向Ｎ区　特性发生变化的效应。目前半导体光敏传感器在数码摄像、　迁移，使Ｎ区带负电，因此在ＰＮ结上产生了电动势。如果在　光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现　硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池　代科技发展中起到了十分重要的作用。能源利用方面，硅光　发生光电转换的原理，这种原理不需外加电源而能直接把　电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造　光能转换成电能。在硅光电池光照实验中，硅光电池在一定　卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做　的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入　电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。光电检　射光照强度Ｅｅ的特性曲线称为开路电压曲线，也可以是硅　测器件方面，用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光　光电池的电动势与入射光强之间的特性曲线称为开路电压　增加准直、电影还音等设备的光感受器。硅光电池是一个大　曲线，而开路电压可直接用电位差计读（当所测电压超过电　面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能　位差计量程时，自行设法扩大量程）。　转化为电能，光电池的种类很多，常见的有硒、硅、砷化镓、　三、硅光电池开路电压与光信号的关系　氧化铜、硫化铊、硫化镉等，其中最受重视、应用最广的是硅　光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。　光电池。光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转　它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光　化为直流电。有两种基本类型的半导体材料，分别叫做正电　电元件进一步将光信号转换成电信号。电池在开路状态下　型（或Ｐ型态）和负电型（或Ｎ型态）。光伏发电是根据光生伏　的端电压称为开路电压。硅光电池照度越大，短路电流越　特效应原理，利用半导体ｐｎ结（ｐｎ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ）的光生伏特效应　大，开路电压越大，但开路电压影响不大电池的开路电压等　而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元　于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极　件是太阳能电池（ｓｏｌａｒ　ｅｅｌ１）。太阳能电池经过串联后进行封　电势与负极的电极电势之差。光敏传感器的基础是光电效　装保护可形成大面积的太阳电池组件（ｍｏｄｕｌｅ），再配合上　应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导　功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优　特性发生变化的效应。光电式传感器在检测和控制中应用　点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有　非常广泛。电池的开路电压用ｖ开表示，即Ｖ开＝　＋一　一，其　安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路　中　＋、　一分别为电池的正负极电极电位。＿３１光信号发生　即可就地发电供电及建设同期短的优点。　器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能　二、硅光电池光照实验　力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。在我们　在硅光电池光照试验中硅光电池负载为零时，短路电　实际的电路的运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电　流在相当大的范围由与光照度成线性关系；而开路电压与　路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，发射头发出激光信　光照度的关系，显非线性。因此，由实验知，负载电阻愈小，　号，信号通过光纤传播到目的，利用的是激光的集中度高，　光电流与照度之问线性关系愈好。且线性范围宽。光功率计　和反射原理如果在设计之初没有考虑这些情况，有的将会　中的内部电路，须达到在待测量光照度的范围内，其等效电　产生灾难性后果。任意波发生器可以帮您完成实验，仿真实　阻大小达到规定小的要求。并且通过实验我们探究到光电　际电路，对您的设计进行全面的测试。由于任意波形发生往　池具有以下几个基本特性：光谱特性：光电池对不同波长的　往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，有些任　光的灵敏度是不同的。当Ｐ—Ｎ结受光照时，样品对光子的本　意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风　征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。它有一系列优　险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录　点：　Ｉ生能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换率高，能耐高　下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计　温辐射等。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的ＰＮ　电路，更进一步实验验证。电池的开路电压，一般均小于它　－２５１　２Ｏ１４年２月　第８期　教育教学论坛　ＥＤＵＣＡＴＩＯＮ　ＴＥＡＣＨＩＮＧ　ＦＯＲＵＨ　Ｆｅｂ．２Ｏ１　４　ＮＯ．８　水产品冷冻效果的实验研究　哀一ｌ袁一博　寻　（浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山３１６０００）　摘要：水产品冷却时间对水产品的质量与加工能耗有着重要的影响。采用三种不同质量配比的酒精与水的混合溶液　作为冷却介质，对新鲜水产品进行冷却。再通过对不同质量比例下的酒精水混合溶液介质冷却实验结果的分析和对比，　得出冷却性能最优、价格最低廉的酒精水混合溶液冷却介质。从而，阐明此种冷却介质在冷却过程及水产品生产、加工中　有着重要的意义和显著的优点。最后，展望未来水产品冷冻未来目标和发展趋势。　关键词：保鲜技术；水产品保冻；冷却介质　中图分类号：Ｇ４２４．３１　文献标志码：Ａ　文章编号：１６７４—９３２４（２０１４）０８—０２５２—０２　冷冻保鲜是目前保鲜效果较好、成本低廉、储存时间长　久的一种科学的保鲜方式，其特点是方便、卫生、新鲜、种类　繁多。通过采用冷冻技术生产的冷冻的水产品，其最大特点　是在比较短的时间内使水产品的中心降到一定温度，即以　较快的速度通过最大冰晶区域，使水产品细胞间的游离水　和细胞内的游离水与结合水能同时生成无数细小的晶体；　并且在融化解冻时，冰晶融化的水分能够迅速被水产品细　胞所吸收，产生尽可能少的营养汁液流失，进而可以最大限　度地保留原有水产品的新鲜度、营养成分、美味和色泽口ｌ。　鱼为冷冻实验对象，分别通过四种冷却介质溶液的冷冻效　果进行观察对比，最终分析出较有优势的混合冷却介质溶　液，并对其未来的研究目标和发展趋势做出了展望。　一、实验系统　１．系统设备。采用四门高深雪柜，严格适用无氟氯化碳　Ｒ１３４ａ制冷剂，符合环　境保护要求；内外缸身　均采用不锈钢材质，进　口压缩机组，能够迅速　目前在国内外的水产品冷冻技术中，虽然冷却介质的　使用越来越成熟，冷却介质的种类越来越丰富，但许多冷却　降低温度，且温控范围　在一１８℃一一ｌ６℃之间，　外形尺寸存为１２２０　Ｘ　６９０　Ｘ　１９００，其制冷循　图１　四门冷柜系统原理图　环原理图见图１。　２．实验水产品。本　光电流流过。［５１　（１．压缩机２．冷凝器　３．膨胀阀４．蒸发器）　介质并不易获得，导致了使用冷却介质的成本高昂，不被大　量的实际生产和加工中所采用。因此大力发展水产品的加　工和保鲜储冻技术对发展渔农业生产，以及为人们提供质　优、安全、方便的水产品都具有极其重要的意义。本文以鲫　的电动势。这是因为电池的两极在电解液溶液中所建立的　电极电位，通常并非平衡电极电位，而是稳定电极电位。光　谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的；光照特性；频率　响应；温度特性：温度特性光电池的温度特性是描述光电池　的开路电压和短路电流随温度变化的情况；以及稳定性。　短路电流随温度上升却是缓慢增加的。硅光电池是近几年，　国际上的准双光束紫外可见分光光度计使用最多的一种硅　光电池。它被分为可见区使用的硅光电池和紫外可见区使　用的硅光电池两种，可见区使用的硅光电池的光谱响应范　光信号就是说在光里面加入一些元素，使得在光的传　播中带着这些信息，光是电磁波，比如改变这束光的偏振方　向，代表０，未改变的代表１，那么在接收端就能收到信号，然　后通过转换成类似１．０．０．１的信号。通过实验我们得出硅光　围一般为３２０～１　１０Ｏｎｔｏ，一般峰值波长位置在９６０ｎｍ左右。　如日本浜松公司的Ｓ１３３７—１６ＢＲ、Ｓ１３　３７—３　３ＢＲ等硅光电池　就是。紫外可见区使用的硅光电池，其光谱响应范围一般　为１９０～１ｌＯＯｎｍ，一般峰值波长位置也在９６０ｎｍ左右，￣ｎｓ１３　３７一ＢＱ、Ｓ１３３　６－８ＢＱ、￥２３　８７ＳＥＲＩＥＳ等硅光电池。［４１但近几　年，国外有些硅光电池的光谱响应波长峰值可在４００～　５００ｎｍ，如１３本浜松公司的￥７５０５硅光电池，其波长范围为　４００—５４０ｎｍ，峰值位置在４６Ｏｎｔｏ；日本浜松公司的￥７６８６硅　光电池，其波长范围为４８０～６６０ｎｍ。峰值位置在５５０ｎｍ。还　有峰值位置在２５４ｎｍ的、更适合紫外可见分光光度计的使　用的硅光电池，如日本浜松公司的￥２６　４８—２　５４型硅光电　池，其峰值位置在２５４ｎｍ。光电池在不同的光照度下，光生　电动势和光电流是不相同的。而且在光照度为２０００１ｘ时就　趋于饱和，在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为　电压源使用。硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它　是在一块Ｎ型硅片上用扩散的方法掺人一些Ｐ型杂质而形　成的一个大面积ＰＮ结，当光照射Ｐ区表面时，若光子能量加　大于硅的禁带宽度，若用导线连接Ｐ区和Ｎ区，电路中就有　－电池负载为零时，短路电流在相当大的范围由与光照度成　线性关系；光功率计中的内部电路，须达到在待测量光照度　的范围内，其等效电阻大小达到规定小的要求。特别是近年　来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。　美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计　划。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池作屋顶、以　下按其材料分类，展示光伏技术、产业及市场发展动向。它　被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用　作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪　器等系统也有运用到这种能量转换。　参考文献：　【１】路勇．电子电路实验及仿真【Ｍ１．北京：清华大学出版社、北方交　通大学出版社，２００６：５８—６２．　［２】杨述武．普通物理实验（三、光学部分）［Ｍ］．第三版．北京：高等　教育出版社２０００：４３—６９．　［３］汪建章，潘洪明．大学物理实验［Ｍ１．杭州：浙江大学出版社　２００４：１９６．　［４】曲洪丰，光电探测器特性一体化实验系统研究［Ｄ】．杭州：浙江　大学，２００６．　［５】宋爱琴，硅光电池特性的研究卟实验室科学，２０１１，（０２）．　作者简介：罗浩文（１９７７一），男，电子科技大学物理电子　学院教师，工程师，主要研究方向为无线电物理及物理实验　教学。　２５２－