浅谈大学期间接触到的光电检测器件1课件

1、光电检测技术-浅谈大学期间接触到的光电检测器件随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文举例介绍说明光电池及温差发电器两种器件的原理与应用。一、 光电池（一）简介光电池是能在光的照射下产生电动势的元件。用于光电转换、光电探测及光

2、能利用等方面。人们最早发现和应用的是硒光电池。它的原理是硒在光作用下产生电子被电极收集而产生电动势。后来又发现和应用了各种半导体材料的光电池，如硅光电池、硫化银电池等。它的原理是半导体的p-n结在光的作用下产生新的电子-空穴对，电子和空穴在p-n结电场的作用下移动到结的两边形成附加电势差。（二）原理光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种

3、光电池又叫太阳能电池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地球卫星、灯塔、无人气象站等处。光伏发电是利用半导体pn结（pn junction）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池(solar cell)。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设周期短的优点。光伏发电是根据光生伏特效应原理， 当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸

4、收都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。如果这时分别在P型层和N型层焊

5、上金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。（三）结构光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代电力能源方面正有着越来越重要的地位。最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的，掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已经被开发用来作为光电池的材料。有二种基本类型的半导体材料，分别叫做正电型（或P型态）和负电型（或N型态）。在一个PV电池中，这些材料的薄片

6、被一起放置，而且他们之间的实际交界叫做P-N结。通过这种结构方式，P-N结暴露于可见光，红外光或紫外线下，当射线照射到P-N结的时候，在P-N结的两侧产生电压，这样连接到P型材料和N型材料上的电极之间就会有电流通过。 一套PV电池能被一起连接形成太阳的模组，行列或面板。用来产生可用电能的PV电池就是光电伏特计。光电伏特计的主要优点之一是没有污染，只需要装置和阳光就可工作。另外的一个优点是太阳能是无限的。一旦光电伏特计系统被安装，它能提供在数年内提供能量而不需要花费，并且只需要最小的维护。（四）优点光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成

7、本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则还只能处在研发阶段。二、 温差发电器（一）简介温差发电器，是一种静态的固体器件，没有转动部件，体积小、寿命长，工作时无噪声，而且无须维护，成为空间电源研发的热点，大大刺激了温差电技术的发展。由于半导体的温差电动势较大因此大都用它来制作温差发电器，它是一种新型的电子器件，无噪音、无污染、能量可高效转换的特点，预示着一场制冷技术革命的开始，温差发电，因为在我们的周围有着太多的“余热”可以利用，废汽热、废水热、废火热、太阳热

8、等等；在能源日益紧张的今天，我们温差发电的愿望更加强烈。它的出现使任意相态的物质、任意局部环境的温度的智能化、数字化、程序化控制，成为可能。想冷，即冷；想热，即热。温度的控制，对于我们随心所欲。（二）原理1、温差发电器是利用塞贝克效应，将热能直接转换成电能的一种发电器件。将一个p型温差电元件和一个n型温差电元件在热端用金属导体电极连接起来，在其冷端分别连接冷端电极，就构成一个温差电单体或单偶。在温差电单体开路端接入电阻为RL的外负载，如果温差电单体的热面输入热流，在温差电单体热端和冷端之间建立了温差，则将会有电流流经电路，负载上将得到电功率I2RL，因而得到了将热能直接转换为电能的发电器。2、

9、当发电器工作时，为保持热接头和冷接头之间有一定的温度差，应不断地对热接头供热，而从冷接头不断排热。热接头所供给的部分热量被作为珀尔帖热吸收了，另一部分则通过热传导传向冷接头。排出的热量应为冷接头放出的珀尔帖热和从热接头传导来的热量之和。对于上述接头的热平衡，还应加上汤姆逊热和被导体释放的焦耳热。设在系统中所产生的焦耳热I2Ri中有一半传到热端，另一半由冷端放出，热源所消耗的热量是珀尔帖热Ph、由于热传递迁移到冷端的热PT和交还给热源的焦耳热 三部分组成， 即为温差电单体的热电转换效率是有用功率与热源所消耗的热量之比。要想得到优值高的温差电材料，只有提高其塞贝克系数和电导率，降低其热导率。但是塞

10、贝克系数、电导率和热导率都在不同程度上依赖于载流子浓度和迁移率，互相是关联的。（三）制备工艺温差电材料原则上可用通常的单晶体生长工艺来制备。但单晶体工艺需要精密的设备，操作复杂，成本较高。在实践中温差电材料往往采用多晶或定向多晶材料。通常，制备温差电材料的方法是粉末冶金法以及区域熔炼法。用粉末冶金法制备的温差电材料往往具有较低的热导率、较高的机械强度，但是却降低了电导率。相对而言，区域熔炼法可制备电导率较高的温差电材料，但同时也提高了材料的热导率。粉末冶金工艺，常规的有冷压法和热压法，近年来又发展了机械合金法（MA）、粉碎混合烧结（PIES）法、挤压法和放电等离子烧结法（SPS法）。通常，Pb

11、Te及SiGe合金用粉末冶金工艺制备，Bi2Te3及其合金用区域熔炼法，也可用热压工艺或挤压工艺制备。下面仅介绍粉末冶金法和区融熔炼法制备温差电材料的工艺。（四）应用领域1、航天方面美国自1961年起在二十多项空间任务中使用同位素温差发电器做电源。这些同位素温差发电器的输出电功率从2.7W到300W,质量从2kg到34kg,最高效率已达6.7%,最高质量比功率已达5.2W/kg, 设计寿命为5年。例如著名的阿波罗登月计划、飞向外层行星的旅游者、海盗号火星着陆器、伽利略飞船等都使用了同位素温差发电器。1997年10月，美国成功地发射了探测土星的卡西尼行星际飞船，有3个同位素温差发电器作电源。20

12、06年1月，发射了探测冥王星的新视野号飞船，用1个RTG作电源。目前, 这些同位素温差发电器的使用寿命都超过19年，有的已经工作30多年。2、日常方面同位素温差发电器在地面和海洋开发中应用也日益增多。现已使用的同位素温差发电器功率范围在几毫瓦到数百瓦、上千瓦。主要用于灯塔、航标、海底声纳、海底微波中继站、自动气象站和地震测试站电源。3、军事方面美军研制了前沿阵地使用的机动性高、无声、质量轻、能无人维护长期运行的液体燃料温差发电器，供夜视装置、雷达、导航设备、电台和指挥系统使用。这种发电器可使用柴油、汽油等多种液体燃料，功率从几十瓦到一千瓦，可便携或可作车载辅助电源。加拿大环球温差电公司生产的燃

13、气温差发电器已经在世界许多国家的输油、输气管线、通讯网络上获得了应用。4、环保方面在低级热利用方面，温差发电器也很有前途。低级热，包括工业废热、垃圾燃烧热、汽车排气管的余热、太阳热、地热、海洋热能等，热源的温度范围宽广。采用温差发电技术大规模利用低级热，可以开发出结构简单、维护少，而且是无公害的干净能源。很多专家认为，温差发电器利用这些热能，可直接产生低压大电流，如用于电解水制氢，是最好的低峰储能方式之一。(五)发展趋势1、温差电技术领域，极大部分努力都在提高温差发电器的热电转换效率。对空间应用来说，非常重要的是提高其重量比功率。提高热电转换效率最主要的途径是提高温差电材料的优值。具体来说就是改善现有温差电材料的热电性能、研究新型温差电材料、开发功能梯度温差电材料，以及降低温差电材料的维数。2、提高温差电材料的优值，增加了温差发电器的热电转换效率，最终的结果，降低了温差发电器的成本（特别是RTG的成本），改善了温差发电器的重量比功率。美国航天局（NASA）制定了空间核创新计划，开发先进的放射性同位素电源系统和空间核反应堆电源系统。后来该计划更名为普鲁米修斯核电源和推进计划。计划目标是面对未来火星科学站网络、小型电推进器、具有复杂机动能力的深空探测小型飞行器等各种空间新任务，开发核电源，大大扩展人类在行星或月球表