浅析硅光电池在单缝衍射光强分布测量中的应用

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摘要：介绍了一种可应用在光电信号转换方面的光电池，即硅光电池的工作原理、特性及其在单缝衍射光强分布测量中的应用。

关键词：硅光电池；单缝衍射；光强分布

Abstract: This paper introduces the workingprinciple and characteristic of a photovoltaic cell, which is applicable to thephotoelectric signal conversion, and its application in the measurement ofsingle-slit diffraction intensity distribution.

Key words: silicon photovoltaic cells;single slit diffraction; light intensity distribution

0引言

光电池是一种把光能直接转换为电能的光电器件它通常是一个由P 型和n 型半导体组成的结。当结的两端接成一闭合电路,而有光照射到结上时, 闭合电路中就有电流产生, 电流的方向在外电路中从尸到n , 在内电路中从n 到P , 这样, 光电池就把光能直接转换为电能。这种现象称为光生伏特效应。【1】光电池可作为一个光电信号转换器，其这方面在工农业生产和技术革新中的应用正在逐渐推广。硅光电池目前比较成熟, 应用得比较普遍, 它是具有一个P一n 结的单结电池。

1.硅光电池

1.1硅光电池的工作原理

硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可以把入射到其表面的光能转化为电能，主要利用了物质的光电效应［2］。外加反偏电压与结内电场方向一致，当PN 结及其附近被光照射时，就会产生电子-空穴对。在势垒区电场的作用下，结区内的电子-空穴对中的空穴被拉向P 区，电子被拉向N 区，从而形成光电流。无光照时伏安特性与有光照时伏安特性分别如公式( 1) 与( 2) 所示:I = Is

exp eVkT －1 ( 1)

I = Is exp eVkT －1 + Ip( 2)

当光电池处于零偏时，V = 0，流过PN 结的电流I = Ip; 当光电池处于负偏时，流过PN结的电流I = Ip-Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态【2】

1.2硅光电池的特性

硅光电池最重要的是光谱、频率响应及温度特性，由于硅光电池的光电流与照度之间存在严格的线性关系，同时采用了视觉校正和余弦校正，使它可以精确地测量照度值，从图一硅和硒的光谱特征曲线可看出，硅光电池应用的波长范围400nm-1100nm，峰值波长在850nm附近【3】。因此硅光电池可以在很宽的波长范围内应用，在强光照射或聚光照射情况下，必须考虑光电池的工作温度及散热措施，通常硅光电池使用的温度不允许超过125℃，光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过，光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不同的，开路电压与光照度的关系是非线性的，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。【4】

光电池作为测量、计算、接收元件时常用调制光作为输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差，但作为光电池的硅光电池相对具有较高的频率响应。

光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的情况，短路电流随温度上升确实缓慢增加的，因此，光电池作为检测元件时，只需采用简单的措施进行补偿。由于硅光电池的性能优越，照度测量使用的照度计采用的就是硅光电池。硅光电池工作性能稳定，光电转换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，在航天技术、气象观测、工农业生产乃至人们的日常生活等方面都得到了广泛的应用【5】”

2.单缝衍射条纹光强分布测量

2.1实验原理[6]

2.2实验及结果分析

实验中，采用硅光电池作为光电转换元件，光电转换后的光电流值与照射到硅光电池上的光强成正比，由数字式检流计测量光电流值，检流计光电流的的相对强度i/i0代表了衍射光的相对强度。为了实现光强分布的逐点测量，在光电池表面处装一狭缝光阑，用以控制光电池的受光面积，硅光电池和光阑安装在可以沿屏方向移动的测量装置上，位置可由测量装置准确读出。

3结束语

综上所述，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长。由于硅光电池的光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。在作为光电转换元件时，可连接数字式检流计测量光电转换后的光电流值，其性能稳定，反应快、操作简便，读数准确直观。主要用来测量一维光强的分布，根据硅光电池光谱特性和数字式检流计的最小读数可确定光强的测量的范围和精确度，在测量时尽量减少震动和电磁场的干扰。

参考文献：

【1】西安交通大学物理实验室硅光电池小组.硅光电池原理及其应用（上）[J].电子技术应用,1976,（4）.

【2】兰铖，崔金刚.大学物理实验［M］．哈尔滨: 哈尔滨工程大学出版社，2014，132-137.

【3】丁喜波.光电式传感器原理及其应用[J].传感器技术，1996,（5）.

【4】魏芳波，王安福，朱喜仲，胡成香.硅光电池与电荷耦合器件测量光强性能比较[J].勋阳师范高等专科学校学报.,2006,(26).

【5】李汉军.光电池原理及其应用 [J].现代物理知识，1999,（3）.

【6】李书光,张亚萍,朱海丰.大学物理实验[M].北京:科学技术出版社,2012.