2013年第32期（总第275期）
NO.32.2013
( CumulativetyNO.275 )
测量硅光电池伏安特性曲线的改进研究
喻秋山1 方 超1 曹江涛1 鲁杉杉2
（长江大学1.物理科学与技术学院；2.电子信息与技术学院，湖北 荆州 434023）
摘要：文章基于伏安法测电阻的基本原理，对现有硅光电池的伏安特性测量方法进行改进，利用交流电压信号和双通道示波器的X-Y信道输入实现硅光电池的伏安特性曲线快速测量与显示。关键词：硅电池；伏安特性；示波器
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0021-02
硅光电池产生的光伏效应由于具有光谱响应范围宽、速度快、寿命长、使用方便、性能稳定等优点而在光强辐射探测有着重要的应用。然而，由于硅光电池的光伏效应和内阻之间的伏安特性变化呈现非线性变化，使得其曲线的数据测定存在较大困难，限制了其在光电信号强度探测中的应用。因而对光电池的伏安特性研究也引起人们的重视。本文为解决这一需要提出一种使用交流信号和示波器进行硅光电池伏安特性曲线的快速、准确测量方法。
IS—二极管反向漏电流e—电子电量
k—玻耳兹曼常量
T—P-N结的工作热力学温度v—结偏置电压
2 硅光电池的伏安特性曲线的改进测量
2.1 硅光电池的伏安特性曲线测量原理
如图1（a）中所示，硅光电池可视为一纯电阻和恒流源的复合体，改变负载RL就可得到不同的电压和电流值，这些电流与电压的关系曲线称为硅光电池的伏安特性曲线。这种方法对于内阻变化的硅光电池测量存在着不利因素：（1）费时较长，需要使用电压表和电流表连续多点测量，然后在记录纸上通过描点、连线来获得特性曲线。（2）因硅光电池内阻与负载、光照强度等均有关，参数复杂，伏安特性曲线只能近似获得某种情况下的曲线。为
1 硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理是基于光伏效应。硅光电池是一个大面积的光电二极管，可视为一个半导体P-N结二极管与一个光生电流源的组合体。电路中电流关系式为：
I=
I−IS(−1)
式中：
Iph—入射光产生的由N区到P区的光生电流强度 [14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
资水平分析—吸收能力的观点[J]．中国管理科 学，2004，（10）．
Culpan．Multinational Strategic Alliances[M]．INC，
The Howorth Press，1993．
Paul E.Bierly，Joseph E.Coombs，Equity
alliance，stages of product development and alliance instability [J]．Journal of engineering and technology management，2004，（12）：191-214．
Lall，S.（1994），The Theoretical Background in John Cantwell（eds.）．Transnational Corporations and Innovatory Activities，London，Routledge．
Bart Verspagen，Geert Duysters．The small world of strategic technology alliances[J]．Technovation 2004 （24）：563-571．
Robert.F.，Hurley．Group Culture and itself fection in novative productivity[J]．Journal of Engineering and Technology Management， 1995，12（2）：57-75．Ingham，M.Mothe，C．How to learn in R&D
partnerships?[J]．R&D management，1998，28
[20]
[21]
[22]
[23]
（2）：79-88．
Mansfield，et al．Social and private rates of Return from Industrial Innovations[J]．Quarterly Journal of Economics，1977，91：221-240．
Hagedoorn，J.，Narula，R.，1996，Choosing organizational modes of strategic technology partnering，international and sector differences [J]．Journal of International Business Studies，Second Quarter：265-284．
Martinez and Jarillo．The Evolution of Research on
Coordination Mechanisma in Mulitinational Corporations[J]．Journal of International Business Studies，1989，20（3）：489-514．
G．Hamel．Competion for competence and inter partner learning within international strategic allicances[J]．Strantegic management journal，1991， 12（2）：83-10．
21
此，如何实现快速、准确测量成为该实验的改进方向，改进方案如下。
2.2 测量硅光电池伏安特性曲线方法的改进
（a） （b）图1 硅光电池伏安特性曲线测量原理示意图
如图1（b）所示，在一定光强照射下，硅光电池将产
生光电压U1，与一极性相反、大小可调的电源相接。当外电源E的电压与光电池电压U1刚好相等时，回路中电流将为零，即串联的可变电阻上电压（U2=IR）为零，此时即可得到的光电池的开路电压Uoc；将电源E的电压逐渐由大减小到零，此时即可得到负载一定情况下的硅光电池伏安特性曲线，但实验数据的测量还需手动测量与记录，且非理想电压表U1、U2仍然存在电流分流的影响，且不能获得方向电压情况下的伏安特性参数。为此，在此基础上，采用示波器和正弦交流信号代替电压表和可调电源进行改进，可实现测量的快速、自动化显示与测量。
2.3 基于示波器和交流信号的硅光电池的伏安特性曲线测量
实验的设计原理如下：采用变压器TR1的次级线圈产生的50Hz交流电压作为示波器的扫描信号，使硅光电池两端获得一个变化的电压U，随着扫描电压的变化，回路中通过低值电流取样电阻R0（电阻箱的精密电阻）的电流I也随之变化。因示波器的信号端的输入阻抗很高，可近似视为开路，故电流I全部流经取样电阻。而其两端的电压与I成正比，将此电压送到示波器的Y2输入端，则显示屏Y轴方向上就显示流过取样电阻R0的电流大小变化讯号。再将光电池两端的电压U加到示波器的Ｘ偏向板上，示波管的显示屏上就出现光
电池的伏安特性曲线，其电路原理如图2（a）所示。
（a） （b）图2 使用示波器测硅光电池伏安特性曲线示意图
在光照一定的情况下，当扫描电压为零时，由于回路中存在电流，故取样电阻R0上面有一个电压降，所以这时光电池两端的电压U并不为零，而是大于零。这就给出特性曲线上的a点，如图2（b）中所示。在扫描电压正半周时，
逐渐减小，在扫描电压增大到刚好使IS(−1)=I时，回路中电流I就为零，这对应特性曲线上的b点，显然，这时扫描电压就等于光电池两端电压Uo，也就是开路电压Uoc。当扫描电压继续增大，则光电池两端电压U大
22
于U
oc，
IS(−1)Iph
，回路中电流I变为负值（反
向），这对应特性曲线上的bc段。
由以上分析可见，扫描电压的峰值应略大于所测光电池可能的最大开路电压（Uoc）。例如单片光电池的可能最大开路电压为0.6V，我们就选扫描电压的峰值为0.7V（有
效值约为0.5V）；在负半周，扫描电压和R0上的电压方向相反，所以随着扫描电压的增大，光电池两端电压逐渐减小，当扫描电压增大到刚好和R0上的电压相抵消，则U=0，对应特性曲线上的d点，这时的电流显然就是短路电流I
sc。扫描电压继续增大，U变为负值，这对应特性曲线上de段。
3 实验测量结果的分析与讨论
通过对示波器上的数据进行测量和读取后，用origin软件进行处理后得到如图3所示的硅光电电池伏安特性曲线。其中，Y轴表示的是取样电阻上的电压，对应的电流I=U2/R0；X轴上表示的是硅光电池两端的电压变化。从图中可以看出实验曲线与硅光电池的伏安特性曲线图2（b）中曲线变化特征相同，达到了预期目的。
图3 光电池伏安特性曲线扫描曲线示意图
4 结语
本实验的改进方案可实现快速测量硅光电池的伏安特性曲线与显示，也可以对二极管、固定电阻等的伏安特性快速测定，具有直观、快捷的优点。若将所测数据经A/D转换后经单片机系统进行数据处理可以实现测量的智能化和自动化。
参考文献
[1]
张
玮，杨景发，闫其庚．硅光电池特性的实验研究 [J]．实验技术与管理，2009，（9）：42-46．
[2] 宋
爱琴．硅光电池特性的研究[J]．实验室科学， 2011，（4）：102-104．
[3]
史
济群，成盛勇，马稚尧．太阳电池伏安特性测试仪 的研制[J]．华中理工大学学报，1998，（5）：86-87．[4] 周朕，卢佃清，史林兴．硅光电池特性研究[J]．实验 室研究与探索，2011，（11）：36-39．
基金项目：2012年度长江大学“国家级大学生创新创业训练计划”，项目编号：[1**********]1
测量硅光电池伏安特性曲线的改进研究
作者：
作者单位：刊名：
喻秋山， 方超， 曹江涛， 鲁杉杉
喻秋山,方超,曹江涛(长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州,434023)， 鲁杉杉(长江大学电子信息与技术学院,湖北荆州,434023)中国高新技术企业（中旬刊）
China High-Tech Enterprises
2013(11)
英文刊名：年，卷(期)：
参考文献(4条)
1.张玮;杨景发;闫其庚 硅光电池特性的实验研究[期刊论文]-实验技术与管理 2009(09)2.宋爱琴 硅光电池特性的研究 2011(04)
3.史济群;成盛勇;马稚尧 太阳电池伏安特性测试仪的研制 1998(05)
4.周朕;卢佃清;史林兴 硅光电池特性研究[期刊论文]-实验室研究与探索 2011(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zggxjsqy-z201311010.aspx
2013年第32期（总第275期）
NO.32.2013
( CumulativetyNO.275 )
测量硅光电池伏安特性曲线的改进研究
喻秋山1 方 超1 曹江涛1 鲁杉杉2
（长江大学1.物理科学与技术学院；2.电子信息与技术学院，湖北 荆州 434023）
摘要：文章基于伏安法测电阻的基本原理，对现有硅光电池的伏安特性测量方法进行改进，利用交流电压信号和双通道示波器的X-Y信道输入实现硅光电池的伏安特性曲线快速测量与显示。关键词：硅电池；伏安特性；示波器
中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0021-02
硅光电池产生的光伏效应由于具有光谱响应范围宽、速度快、寿命长、使用方便、性能稳定等优点而在光强辐射探测有着重要的应用。然而，由于硅光电池的光伏效应和内阻之间的伏安特性变化呈现非线性变化，使得其曲线的数据测定存在较大困难，限制了其在光电信号强度探测中的应用。因而对光电池的伏安特性研究也引起人们的重视。本文为解决这一需要提出一种使用交流信号和示波器进行硅光电池伏安特性曲线的快速、准确测量方法。
IS—二极管反向漏电流e—电子电量
k—玻耳兹曼常量
T—P-N结的工作热力学温度v—结偏置电压
2 硅光电池的伏安特性曲线的改进测量
2.1 硅光电池的伏安特性曲线测量原理
如图1（a）中所示，硅光电池可视为一纯电阻和恒流源的复合体，改变负载RL就可得到不同的电压和电流值，这些电流与电压的关系曲线称为硅光电池的伏安特性曲线。这种方法对于内阻变化的硅光电池测量存在着不利因素：（1）费时较长，需要使用电压表和电流表连续多点测量，然后在记录纸上通过描点、连线来获得特性曲线。（2）因硅光电池内阻与负载、光照强度等均有关，参数复杂，伏安特性曲线只能近似获得某种情况下的曲线。为
1 硅光电池的工作原理
硅光电池的工作原理是基于光伏效应。硅光电池是一个大面积的光电二极管，可视为一个半导体P-N结二极管与一个光生电流源的组合体。电路中电流关系式为：
I=
I−IS(−1)
式中：
Iph—入射光产生的由N区到P区的光生电流强度 [14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
资水平分析—吸收能力的观点[J]．中国管理科 学，2004，（10）．
Culpan．Multinational Strategic Alliances[M]．INC，
The Howorth Press，1993．
Paul E.Bierly，Joseph E.Coombs，Equity
alliance，stages of product development and alliance instability [J]．Journal of engineering and technology management，2004，（12）：191-214．
Lall，S.（1994），The Theoretical Background in John Cantwell（eds.）．Transnational Corporations and Innovatory Activities，London，Routledge．
Bart Verspagen，Geert Duysters．The small world of strategic technology alliances[J]．Technovation 2004 （24）：563-571．
Robert.F.，Hurley．Group Culture and itself fection in novative productivity[J]．Journal of Engineering and Technology Management， 1995，12（2）：57-75．Ingham，M.Mothe，C．How to learn in R&D
partnerships?[J]．R&D management，1998，28
[20]
[21]
[22]
[23]
（2）：79-88．
Mansfield，et al．Social and private rates of Return from Industrial Innovations[J]．Quarterly Journal of Economics，1977，91：221-240．
Hagedoorn，J.，Narula，R.，1996，Choosing organizational modes of strategic technology partnering，international and sector differences [J]．Journal of International Business Studies，Second Quarter：265-284．
Martinez and Jarillo．The Evolution of Research on
Coordination Mechanisma in Mulitinational Corporations[J]．Journal of International Business Studies，1989，20（3）：489-514．
G．Hamel．Competion for competence and inter partner learning within international strategic allicances[J]．Strantegic management journal，1991， 12（2）：83-10．
21
此，如何实现快速、准确测量成为该实验的改进方向，改进方案如下。
2.2 测量硅光电池伏安特性曲线方法的改进
（a） （b）图1 硅光电池伏安特性曲线测量原理示意图
如图1（b）所示，在一定光强照射下，硅光电池将产
生光电压U1，与一极性相反、大小可调的电源相接。当外电源E的电压与光电池电压U1刚好相等时，回路中电流将为零，即串联的可变电阻上电压（U2=IR）为零，此时即可得到的光电池的开路电压Uoc；将电源E的电压逐渐由大减小到零，此时即可得到负载一定情况下的硅光电池伏安特性曲线，但实验数据的测量还需手动测量与记录，且非理想电压表U1、U2仍然存在电流分流的影响，且不能获得方向电压情况下的伏安特性参数。为此，在此基础上，采用示波器和正弦交流信号代替电压表和可调电源进行改进，可实现测量的快速、自动化显示与测量。
2.3 基于示波器和交流信号的硅光电池的伏安特性曲线测量
实验的设计原理如下：采用变压器TR1的次级线圈产生的50Hz交流电压作为示波器的扫描信号，使硅光电池两端获得一个变化的电压U，随着扫描电压的变化，回路中通过低值电流取样电阻R0（电阻箱的精密电阻）的电流I也随之变化。因示波器的信号端的输入阻抗很高，可近似视为开路，故电流I全部流经取样电阻。而其两端的电压与I成正比，将此电压送到示波器的Y2输入端，则显示屏Y轴方向上就显示流过取样电阻R0的电流大小变化讯号。再将光电池两端的电压U加到示波器的Ｘ偏向板上，示波管的显示屏上就出现光
电池的伏安特性曲线，其电路原理如图2（a）所示。
（a） （b）图2 使用示波器测硅光电池伏安特性曲线示意图
在光照一定的情况下，当扫描电压为零时，由于回路中存在电流，故取样电阻R0上面有一个电压降，所以这时光电池两端的电压U并不为零，而是大于零。这就给出特性曲线上的a点，如图2（b）中所示。在扫描电压正半周时，
逐渐减小，在扫描电压增大到刚好使IS(−1)=I时，回路中电流I就为零，这对应特性曲线上的b点，显然，这时扫描电压就等于光电池两端电压Uo，也就是开路电压Uoc。当扫描电压继续增大，则光电池两端电压U大
22
于U
oc，
IS(−1)Iph
，回路中电流I变为负值（反
向），这对应特性曲线上的bc段。
由以上分析可见，扫描电压的峰值应略大于所测光电池可能的最大开路电压（Uoc）。例如单片光电池的可能最大开路电压为0.6V，我们就选扫描电压的峰值为0.7V（有
效值约为0.5V）；在负半周，扫描电压和R0上的电压方向相反，所以随着扫描电压的增大，光电池两端电压逐渐减小，当扫描电压增大到刚好和R0上的电压相抵消，则U=0，对应特性曲线上的d点，这时的电流显然就是短路电流I
sc。扫描电压继续增大，U变为负值，这对应特性曲线上de段。
3 实验测量结果的分析与讨论
通过对示波器上的数据进行测量和读取后，用origin软件进行处理后得到如图3所示的硅光电电池伏安特性曲线。其中，Y轴表示的是取样电阻上的电压，对应的电流I=U2/R0；X轴上表示的是硅光电池两端的电压变化。从图中可以看出实验曲线与硅光电池的伏安特性曲线图2（b）中曲线变化特征相同，达到了预期目的。
图3 光电池伏安特性曲线扫描曲线示意图
4 结语
本实验的改进方案可实现快速测量硅光电池的伏安特性曲线与显示，也可以对二极管、固定电阻等的伏安特性快速测定，具有直观、快捷的优点。若将所测数据经A/D转换后经单片机系统进行数据处理可以实现测量的智能化和自动化。
参考文献
[1]
张
玮，杨景发，闫其庚．硅光电池特性的实验研究 [J]．实验技术与管理，2009，（9）：42-46．
[2] 宋
爱琴．硅光电池特性的研究[J]．实验室科学， 2011，（4）：102-104．
[3]
史
济群，成盛勇，马稚尧．太阳电池伏安特性测试仪 的研制[J]．华中理工大学学报，1998，（5）：86-87．[4] 周朕，卢佃清，史林兴．硅光电池特性研究[J]．实验 室研究与探索，2011，（11）：36-39．
基金项目：2012年度长江大学“国家级大学生创新创业训练计划”，项目编号：[1**********]1
测量硅光电池伏安特性曲线的改进研究
作者：
作者单位：刊名：
喻秋山， 方超， 曹江涛， 鲁杉杉
喻秋山,方超,曹江涛(长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州,434023)， 鲁杉杉(长江大学电子信息与技术学院,湖北荆州,434023)中国高新技术企业（中旬刊）
China High-Tech Enterprises
2013(11)
英文刊名：年，卷(期)：
参考文献(4条)
1.张玮;杨景发;闫其庚 硅光电池特性的实验研究[期刊论文]-实验技术与管理 2009(09)2.宋爱琴 硅光电池特性的研究 2011(04)
3.史济群;成盛勇;马稚尧 太阳电池伏安特性测试仪的研制 1998(05)
4.周朕;卢佃清;史林兴 硅光电池特性研究[期刊论文]-实验室研究与探索 2011(11)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_zggxjsqy-z201311010.aspx