【正文】 偏壓U(V)110120130140150160170180190200光強T(mV)偏壓U(V)210220230240250260270280290300光強T(mV)偏壓U(V)310320330340350360370380390400光強T(mV)偏壓U(V)410420430440450460470480490500光強T(mV)偏壓U(V)510520530540550560570580590600光強T(mV)以T為縱坐標，U為橫坐標，畫T～U關系曲線，確定半波電壓Uπ的數(shù)值，并計算電光系數(shù)。晶體厚度d= mm，寬度m=，長度L=50 mm，n0=，激光波長λ=。2）調(diào)制法晶體上直流電壓和交流信號同時加上，與直流電壓調(diào)到輸出光強出現(xiàn)極小值或極大值對應的電壓值時，輸出的交流信號出現(xiàn)倍頻失真，出現(xiàn)相鄰倍頻失真對應的直流電壓之差就是半波電壓Uπ。具體做法是：電源面板上的信號選擇開關撥到“調(diào)制”擋，把電源前面板上的“調(diào)制信號”輸出接到雙蹤示波器的CH2上，把放大器的“光強信號”接到示波器的CH1上，把CHCH2上的信號做比較，調(diào)節(jié)直流偏壓，當晶體上加的直流電壓到某一值U1時，輸出信號出現(xiàn)倍頻失真，再調(diào)節(jié)直流電壓，當晶體上加的直流電壓到另一值U2時，輸出信號又出現(xiàn)倍頻失真，相繼兩次出現(xiàn)倍頻失真時對應的直流電壓之差U2－U1就是半波電壓Uπ。這種方法比極值法更精確，因為用極值法測半波電壓時，很難準確的確定T～U曲線上的極大值或極小值，因而其誤差也較大。但是這種方法對調(diào)節(jié)的要求很高，很難調(diào)到最佳狀態(tài)。如果觀察不到兩次倍頻失真，則需要重新調(diào)節(jié)暗十字形干涉圖樣，調(diào)整好后再做。3）改變直流偏壓，選擇不同的工作點，觀察正弦波電壓的調(diào)制特性電源面板上的信號選擇開關撥到“調(diào)制”擋，機內(nèi)單一頻率的正弦波振蕩器工作，產(chǎn)生正弦信號，此信號經(jīng)放大后，加到晶體上，同時，通過面板上的“調(diào)制信號”孔，輸出此信號，把它接到雙蹤示波器的CH1上，作為參考信號。改變直流偏壓，使調(diào)制器工作在不同的狀態(tài)，把被調(diào)制信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大后接到雙蹤示波器的CH2上，和CH1上的參考信號比較。選擇5個不同的工作點40V、80V、120V、160V、200V，觀察接收信號的波形并畫出圖形。工作點選定在曲線的直線部分，即U0=Uπ/2附近時是線性調(diào)制；工作點選定在曲線的極小值(或極大值)時，輸出信號出現(xiàn)“倍頻”失真；工作點選定在極小值(或極大值)附近時輸出信號失真，觀察時調(diào)制信號幅度不能太大，否則調(diào)制信號本身失真，輸出信號的失真無法判斷由什么原因引起的，把觀察到的波形描下來，并和前面的理論分析作比較。做這一步實驗時，把電源上的調(diào)制幅度、調(diào)制器上的輸入光強、放大器的輸出、示波器上的增益(或哀減)這四部分調(diào)好，才能觀察到很好的輸出波形。4）用1/4波片改變工作點，觀察輸出特性在上述實驗中，去掉晶體上所加的直流偏壓(直流偏壓調(diào)至0V)，把1/4波片置入晶體和偏振片之間，繞光軸緩慢旋轉(zhuǎn)時，可以看到輸出信號隨著發(fā)生變化。當波片的快慢軸平行于晶體的感應軸方向時，輸出信號線性調(diào)制；當波片的快慢軸分別平行于晶體的x、y軸時，輸出光失真，出現(xiàn)“倍頻”失真。因此，把波片旋轉(zhuǎn)一周時，出現(xiàn)四次線性調(diào)制和四次“倍頻”失真。值得注意的是，不僅通過晶體上加直流偏壓可以改變調(diào)制器的工作點，也可以用1/4波片選擇工作點，其效果是一樣的，但這兩種方法的機理是不同的。5）光通訊的演示電源面板的轉(zhuǎn)換開關撥到“音頻”擋，此時，正弦信號被切斷，輸出裝在電源箱里的“音頻”信號。輸出信號通過接收放大器上的揚聲器播放，可聽到音樂。如改變直流偏壓的大小，則會聽到音樂的音質(zhì)有變化，說明音樂也有失真和不失真。用不透明的物體遮擋光源，則音樂停止，不遮光，則音樂又響起，由此說明激光束可以攜帶音頻信號，實現(xiàn)光通訊。把音樂信號接到示波器上，可以看到我們聽到的音樂信號的波形，它是由振幅相的不同頻率的正弦波迭加而成的。1．HeNe激光管出光時，電極上所加的直流電壓高達千伏，要注意人身安全。激光管點亮10分鐘后，達到熱平衡，輸出功率和模式開始穩(wěn)定，可以開始實驗。2．電光晶體又細又長，容易折斷，電極是真空鍍的銀膜，操作時要注意，晶體電極上面的銅片不能壓的太緊或給晶體施加壓力，以免壓斷晶體。3．PIN光電二極管應避免強光照射，以免燒壞。做實驗時，光強應從弱到強，緩慢改變，盡可能在弱光下使用，這樣能保證接收器光電轉(zhuǎn)換時線性性良好。4．電源上的旋鈕順時針方向為增益加大的方向，因此，電源開關打開前，所有旋鈕應該逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭，關儀器前，所有旋鈕逆時針方向旋轉(zhuǎn)到頭后再關電源。實驗二 太陽能電池特性能源短缺和地球生態(tài)環(huán)境污染已經(jīng)成為人類面臨的最大問題。本世紀初進行的世界能源儲量調(diào)查顯示，全球剩余煤炭只能維持約216年，石油只能維持45年，天然氣只能維持61年，用于核發(fā)電的鈾也只能維持71年。另一方面，煤炭、石油等礦物能源的使用，產(chǎn)生大量的COSO2等溫室氣體，造成全球變暖，冰川融化，海平面升高，暴風雨和酸雨等自然災害頻繁發(fā)生，給人類帶來無窮的煩惱。根據(jù)計算，現(xiàn)在全球每年排放的CO2已經(jīng)超過500億噸。我國能源消費以煤為主，CO2的排放量占世界的15%，僅次于美國，所以減少排放COSO2等溫室氣體，已經(jīng)成為刻不容緩的大事。推廣使用太陽輻射能、水能、風能、生物質(zhì)能等可再生能源是今后的必然趨勢。廣義地說，太陽光的輻射能、水能、風能、生物質(zhì)能、潮汐能都屬于太陽能,它們隨著太陽和地球的活動，周而復始地循環(huán)，幾十億年內(nèi)不會枯竭，因此我們把它們稱為可再生能源。太陽的光輻射可以說是取之不盡、用之不竭的能源。太陽與地球的平均距離為1億5千萬公里。在地球大氣圈外， /m2，稱為太陽常數(shù)。到達地球表面時，部分太陽光被大氣層吸收，光輻射的強度降低。在地球海平面上，正午垂直入射時，太陽輻射的功率密度約為1kW /m2 ，通常被作為測試太陽電池性能的標準光輻射強度。太陽光輻射的能量非常巨大，從太陽到地球的總輻射功率比目前全世界的平均消費電力還要大數(shù)十萬倍。每年到達地球的輻射能相當于49000億噸標準煤的燃燒能。太陽能不但數(shù)量巨大，用之不竭，而且是不會產(chǎn)生環(huán)境污染的綠色能源，所以大力推廣太陽能的應用是世界性的趨勢。太陽能發(fā)電有兩種方式。光—熱—電轉(zhuǎn)換方式通過利用太陽輻射產(chǎn)生的熱能發(fā)電，一般是由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動汽輪機發(fā)電，太陽能熱發(fā)電的缺點是效率很低而成本很高。光—電直接轉(zhuǎn)換方式是利用光生伏特效應而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，光—電轉(zhuǎn)換的基本裝置就是太陽能電池。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，太陽能發(fā)電目前成本較高，所以通常用于遠離傳統(tǒng)電源的偏遠地區(qū)，2002年，國家有關部委啟動了“西部省區(qū)無電鄉(xiāng)通電計劃”，通過太陽能和小型風力發(fā)電解決西部七省區(qū)無電鄉(xiāng)的用電問題。隨著研究工作的深入與生產(chǎn)規(guī)模的擴大，太陽能發(fā)電的成本下降很快，而資源枯竭與環(huán)境保護導致傳統(tǒng)電源成本上升。太陽能發(fā)電有望在不久的將來在價格上可以與傳統(tǒng)電源競爭，太陽能應用具有光明的前景。根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為硅太陽能電池，化合物太陽能電池，聚合物太陽能電池，有機太陽能電池等。其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。本實驗研究單晶硅，多晶硅，非晶硅3種太陽能電池的特性。測試三種太陽能電池的基本特性。太陽能電池實驗裝置如圖4所示，電源面板如圖5所示。圖4 太陽能電池實驗裝置光源采用碘鎢燈，它的輸出光譜接近太陽光譜。調(diào)節(jié)光源與太陽能電池之間的距離可以改變照射到太陽能電池上的光功率，具體數(shù)值由光功率計測量。測試儀為實驗提供電源，同時可以測量并顯示電流、電壓、以及光功率的數(shù)值。電壓源：可以輸出0～8V連續(xù)可調(diào)的直流電壓。為太陽能電池伏安特性測量提供電壓。電壓/光功率表：通過“測量轉(zhuǎn)換”按鍵，可以測量輸入“電壓輸入”接口的電壓，或接入“光功率輸入”接口的光功率計探頭測量到的光功率數(shù)值。表頭下方的指示燈確定當前的顯示狀態(tài)。通過“電壓量程”或“光功率量程”，可以選擇適當?shù)娘@示范圍。電流表：可以測量并顯示0～200mA的電流，通過“電流量程”選擇適當?shù)娘@示范圍。圖5 太陽能電池特性實驗儀太陽能電池利用半導體PN結(jié)受光照射時的光伏效應發(fā)電，太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)就是一個大面積平面PN結(jié)，圖1為PN結(jié)示意圖。圖1 半導體PN結(jié)示意圖P型半導體中有相當數(shù)量的空穴，幾乎沒有自由電子。N型半導體中有相當數(shù)量的自由電子，幾乎沒有空穴。當兩種半導體結(jié)合在一起形成PN結(jié)時，N區(qū)的電子(帶負電)向P區(qū)擴散， P區(qū)的空穴(帶正電)向N區(qū)擴散，在PN結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢壘電場。勢壘電場會使載流子向擴散的反方向作漂移運動，最終擴散與漂移達到平衡，使流過PN結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來自N區(qū)的電子復合，N 區(qū)的電子被來自P區(qū)的空穴復合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒有能導電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當光電池受光照射時，部分電子被激發(fā)而產(chǎn)生電子－空穴對，在結(jié)區(qū)激發(fā)的電子和空穴分別被勢壘電場推向N區(qū)和P區(qū)，使N區(qū)有過量的電子而帶負電，P區(qū)有過量的空穴而帶正電，PN結(jié)兩端形成電壓，這就是光伏效應，若將PN結(jié)兩端接入外電路，就可向負載輸出電能。在一定的光照條件下，改變太陽能電池負載電阻的大小，測量其輸出電壓與輸出電流，得到輸出伏安特性，如圖2實線所示。圖2 太陽能電池的輸出特性負載電阻為零時測得的最大電流ISC稱為短路電流。負載斷開時測得的最大電壓VOC稱為開路電壓。太陽能電池的輸出功率為輸出電壓與輸出電流的乘積。同樣的電池及光照條件，負載電阻大小不一樣時，輸出的功率是不一樣的。若以輸出電壓為橫坐標，輸出功率為縱坐標，繪出的PV曲線如圖2點劃線所示。輸出電壓與輸出電流的最大乘積值稱為最大輸出功率Pmax。： (1)填充因子是表征太陽電池性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，其值越大，電池的光電轉(zhuǎn)換效率越高，~。轉(zhuǎn)換效率ηs定義為： (2)Pin為入射到太陽能電池表面的光功率。理論分析及實驗表明，在不同的光照條件下，短路電流隨入射光功率線性增長，而開路電壓在入射光功率增加時只略微增加，如圖3所示。圖3 不同光照條件下的IV曲線硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。%，規(guī)模生產(chǎn)時的效率可達到15%。在大規(guī)模應用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導地位。但由于單晶硅價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率可達到10%。因此，多晶硅薄膜電池可能在未來的太陽能電池市場上占據(jù)主導地位。非晶硅薄膜太陽能電池成本低，重量輕，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。如果能進一步解決穩(wěn)定性及提高轉(zhuǎn)換率，無疑是太陽能電池的主要發(fā)展方向之一。 1．硅太陽能電池的暗伏安特性測量暗伏安特性是指無光照射時，流經(jīng)太陽能電池的電流與外加電壓之間的關系。太陽能電池的基本結(jié)構(gòu)是一個大面積平面PN結(jié)，單個太陽能電池單元的PN結(jié)面積已遠大于普通的二極管。在實際應用中，為得到所需的輸出電流，通常將若干電池單元并聯(lián)。為得到所需輸出電壓，通常將若干已并聯(lián)的電池組串連。因此，它的伏安特性雖類似于普通二極管，但取決于太陽能電池的材料，結(jié)構(gòu)及組成組件時的串并連關系。本實驗提供的組件是將若干單元并聯(lián)。要求測試并畫出單晶硅, 多晶硅，非晶硅太陽能電池組件在無光照時的暗伏安特性曲線。用遮光罩罩住太陽能電池。測試原理圖如圖6所示。將待測的太陽能電池接到測試儀上的“電壓輸出”接口，電阻箱調(diào)至50Ω后串連進電路起保護作用，用電壓表測量太陽能電池兩端電壓，電流表測量回路中的電流。 圖6 伏安特性測量接線原理圖將電壓源調(diào)到0V，然后逐漸增大輸出電壓。記錄到表1中。 將電壓輸入調(diào)到0V。然后將“電壓輸出”接口的兩根連線互換，即給太陽能電池加上反向的電壓。逐漸增大反向電壓，記錄電流隨電壓變換的數(shù)據(jù)于表1中。表1 3種太陽能電池的暗伏安特性測量電壓(V)電流(mA)單晶硅多晶硅非晶硅8765432103以電壓作橫坐標，電流作縱坐標，根據(jù)表1畫出三種太陽能電池的伏安特性曲線。討論太陽能電池的暗伏安特性與一般二級管的伏安特性有何異同。2．開路電壓，短路電流與光強關系測量打開光源開關，預熱5分鐘。打開遮光罩。將光功率探頭裝在太陽能電池板位置，探頭輸出線連接到太陽能電池特性測試儀的“光功率輸入”接口上。測試儀設置為“光功率測量”。 由近及遠移動滑動支架，測量距光源一定距離的光強I=P/S,P為測量到的光功率，S=。將測量到的光強記入表2。將光功率探頭換成單晶硅太陽能電池，測試儀設置為“電壓表”狀態(tài)。按圖7A接線