检测与转换技术第5章3

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学电能量传感器第三部分哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6压电传感器的应用压电传感器的应用例例1 1： 压电式测力传感器压电式测力传感器压电式三向力传感器压电式三向力传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例2 2： 压电式压力传感器压电式压力传感器Fdq11SPF电极结构电极结构预紧力预紧力哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例3 3：压电引信：压电引信压电陶瓷：弹丸起爆装置压电陶瓷：弹丸起爆装置破甲弹破甲弹哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例4 4：火炮膛内压力测试：火炮膛内压力测试 发射药在膛内燃烧形成压力完成炮

2、弹的发射。膛内压力的大发射药在膛内燃烧形成压力完成炮弹的发射。膛内压力的大小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有小，不仅决定着炮弹的飞行速度，而且与火炮、弹丸的设计有着密切关系。着密切关系。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6四、四、 压电式传感器压电式传感器的应用的应用 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.61. 压电式加速度传感器压电式加速度传感器 图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压图是一种压电式加速度传感器的结构图。它主要由压电元件、质量块、电元件、质量块、预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装预压弹簧、基座及外壳等组成。整个部件装在外壳内，

3、并由螺栓加以固定。在外壳内，并由螺栓加以固定。 压电式加速度传感器结构图 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件当加速度传感器和被测物一起受到冲击振动时，压电元件受质量块惯性力的作用，受质量块惯性力的作用，根据牛顿第二定律，此惯性力是加速根据牛顿第二定律，此惯性力是加速度的函数，度的函数， 即即 F=ma（3-14） 式中：式中：F质量块产生的惯性力；质量块产生的惯性力； m m质量块的质量；质量块的质量； a a加速度。加速度。 此时惯性力此时惯性力F F作用于压电元件上，因而产生电荷作

4、用于压电元件上，因而产生电荷q q，当，当传感器选定后，传感器选定后，m m为常数，为常数， 则则传感器输出电荷为传感器输出电荷为 q=d11F=d11ma 与加速度与加速度a a成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知成正比。因此，测得加速度传感器输出的电荷便可知加速度的大小。加速度的大小。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.62. 压电式压力传感器压电式压力传感器 图图5-195-19是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶是压电式单向测力传感器的结构图，主要由石英晶片、片、 绝缘套、电极绝缘套、电极、上盖及基座等组成。、上盖及基座等组成。 图5-19 压力式单向测力传

5、感器结构图 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为传感器上盖为传力元件，它的外缘壁厚为0.1-0.5mm0.1-0.5mm，当，当外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石外力作用时，它将产生弹性变形，将力传递到石英晶片上。石英晶片采用英晶片采用xyxy切型，切型， 利用其纵向压电效应，利用其纵向压电效应， 通过通过d d1111实现力实现力电转换。石英晶片的尺寸为电转换。石英晶片的尺寸为881mm1mm。该传感器的测力范围为。该传感器的测力范围为0-50N0-50N，最小分辨率为，最小分辨率为0.010.01 N N，固有频率为，固有

6、频率为50-60 kHz50-60 kHz，整个传，整个传感器重为感器重为10 g10 g。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例6 6：冲击试验台的标定和检测：冲击试验台的标定和检测产品过载冲击试验产品过载冲击试验跌落高度跌落高度h h加速度加速度哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例7 7：汽车安全气囊系统：汽车安全气囊系统事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、事故性碰撞：点火信号、电点火管、气体发生剂、 气体、充气、弹性体气体、充气、弹性体哈尔滨工业大学哈尔滨工业大

7、学2012.10.6例例8 8： 气体发生器输出特性测试气体发生器输出特性测试密封容器压力测试法密封容器压力测试法哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例9 9：振动测量仪：振动测量仪加速度加速度 160 ug160 ug -10 g -10 g速度速度 0.4 -80 cm/s0.4 -80 cm/s振幅振幅 4 um-8 cm4 um-8 cm转换开关转换开关S SamadFdq积分：振动速度、幅值积分：振动速度、幅值哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例1010： 压电式血压传感器压电式血压传感器例例1111：指套式电子血压计：指套式电子血压计哈尔滨工业大学哈尔滨工

8、业大学2012.10.6例例1212：玻璃破碎报警器：玻璃破碎报警器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例1313：水深测量仪：水深测量仪mMPa /01. 0哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6例例1414：逆压电效应的应用：逆压电效应的应用声表面波传感器声表面波传感器vL延迟时间延迟时间SAWSAW振子：振子：LCLC谐振回路谐振回路lvf2振动频率振动频率哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6用于结冰状况监测的冰传感器用于结冰状况监测的冰传感器结冰现象的危害：结冰现象的危害：铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正常行驶、铁路电力机车接触网导线上结冰影响机车正

9、常行驶、冷库物资防冰、飞机安全飞行冷库物资防冰、飞机安全飞行结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度结冰状况监测：是否结冰、冰层厚度基于压电效应的冰传感器原理：基于压电效应的冰传感器原理：1电极金属平板2电极3电极压电晶体电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6电极引线支撑安装孔1电极2电极3电极压电晶体电极电极 1 1、2 2 间加交变电压：间加交变电压：压电晶体机械振动，系统压电晶体机械振动，系统的谐振频率：的谐振频率：mkcf/k等效刚度等效刚度m等效质量等效质量冰层检测原理：冰层检测原理：极板极板 1 1 上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动

10、；上无附加物：以自身的谐振频率作机械振动；极板极板 1 1 上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；上有冰冻：冰层增加系统刚度，谐振频率增大；冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。冰层越厚：刚度增加越大，谐振频率越大。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能直接把光能转换为电能 硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件 性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射

11、，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。它在光谱灵敏度和人眼灵敏度相近等。它在分析仪器、测量仪器、光电技术、分析仪器、测量仪器、光电技术、自动控制、计量检测、计算机输入输出、自动控制、计量检测、计算机输入输出、光能利用等领域用作探测元件，光能利用等领域用作探测元件，得到广泛应用得到广泛应用 第四节光电池第四节光电池哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6光电池哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。换效率低已很少使用。 目前应用较多的是硒

12、光电池和硅光电池。硒光电池因光目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高，不仅性能稳定，还是目前转换效率最高( (达到达到1717) )的几乎的几乎接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光接近理论极限的一种光电池。此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材

13、料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。紫光电池是把硅光电池的降低成本。紫光电池是把硅光电池的PNPN结减薄至结深为结减薄至结深为0.20.20.3m0.3m，光谱响应峰值移到，光谱响应峰值移到600nm600nm左右，来提高短波响应，左右，来提高短波响应，以适应外层空间使用。以适应外层空间使用。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6光电池光电池硒光电池的光谱特性硒光电池的光谱特性)(um波长%相对灵敏度硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池硒光电池的结构光半透明金属膜硒半导体金属底盘1 1）硒光电池）硒光电池哈

14、尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6硒光电池的硒光电池的伏安特性伏安特性IULR231210（2 2）硅光电池）硅光电池硅光电池的结构硅光电池的结构光梳状电极抗反射膜型层N结PN型硅层P金属下电极哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 直接把太阳光能转换成电能的器件直接把太阳光能转换成电能的器件( (光伏效应光伏效应) )，光伏效应，光伏效应本质上是由于吸收光辐射而产生电动势现象。本质上是由于吸收光辐射而产生电动势现象。 1839 1839年贝克里尔年贝克里尔(Becqurel(Becqurel) ) 观察到插在电解液中两电观察到插在电解液中两电极间的电压随光照强度变化的现象。

15、极间的电压随光照强度变化的现象。 18761876年在固体硒中，弗里兹年在固体硒中，弗里兹(Fritts(Fritts) )也观测到这种效应。也观测到这种效应。 尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只尽管光伏效应在气体、液体或固体中都能发生，但只有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的有在固体中，尤其在半导体材料中，才能获得可供利用的光电转换效率。光电转换效率。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 19541954年第一个实用半导体硅年第一个实用半导体硅pnpn结太阳电池的问世，证结太阳电池的问世，证明了这一点。明了这一点。 半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重

16、量轻、半导体太阳电池的优点是效率高、寿命长、重量轻、性能可靠，甚至可以不用维护，使用方便。从性能可靠，甚至可以不用维护，使用方便。从19581958年开年开始，用作人造卫星、宇宙飞船、行星际站的重要长期电始，用作人造卫星、宇宙飞船、行星际站的重要长期电源。源。 目前的太阳电池成本较高，大规模的太空应用或地面应目前的太阳电池成本较高，大规模的太空应用或地面应用都受到限制。人类正在研究新材料、新结构、新工艺的用都受到限制。人类正在研究新材料、新结构、新工艺的高效率、低成本的太阳电池。高效率、低成本的太阳电池。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6紧急交通标志紧急交通标志 太阳能电池还装太阳

17、能电池还装在人造卫星上，用来在人造卫星上，用来为其供电。为其供电。 海上应用海上应用日常生活太阳能电池的计算器日常生活太阳能电池的计算器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 太阳太阳能电池是通过能电池是通过光电效应或者光电效应或者光化学效应直光化学效应直接把光能转化接把光能转化成电能的装置。成电能的装置。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6硅光电池结构示意图 图形符号 光电池 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6光电池光电池外形外形光敏面光敏面哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学

18、2012.10.6光电池组 光电池 光电池 常见的光电池 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6能提供较大电流的大能提供较大电流的大面积光电池面积光电池外形外形哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6硅光电池结构示意如图硅光电池结构示意如图-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn结结硅光电池硅光电池哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光电池符号和基本工作电路光电池符号和基本工作电

19、路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6半导体太阳电池种类繁多。半导体太阳电池种类繁多。有太空用太阳电池的理想材有太空用太阳电池的理想材料硅、砷化镓、磷化铟单晶；料硅、砷化镓、磷化铟单晶；多晶硅，还有适宜发展低成多晶硅，还有适宜发展低成本太阳电池的非晶硅、硒铟本太阳电池的非晶硅、硒铟铜、碲化镉、硫化镉等薄膜铜、碲化镉、硫化镉等薄膜材料。材料。 pnpn型型pinpin型型肖特基势垒型肖特基势垒型带反型层的带反型层的MISMIS型型及异质结型及异质结型按光伏结构中势垒按光伏结构中势垒的不同，太阳电池的不同，太阳电池可分为：可分为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 不同频率或

20、波长的光具有不同的能量不同频率或波长的光具有不同的能量 E E 光光子子的的能能量量（J J） h h 普普朗朗克克常常数数（6 6. .6 62 21 10 0- -3 34 4 J Js s） 光光子子频频率率（s- -1） c 光光速速（31 10 08 8 s s） 光光子子波波长长（m m）光电效应光电效应波动性：以光速运动，干涉、衍射波动性：以光速运动，干涉、衍射粒子性：具有一定的质量和能量的粒子粒子性：具有一定的质量和能量的粒子光光以光速运动的粒子流以光速运动的粒子流波粒二象性波粒二象性哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 光电效应是光电传感器的基本转换原理光电效应是光

21、电传感器的基本转换原理内光电效应内光电效应外光电效应外光电效应1 1、定义及分类、定义及分类哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 h h = = 1 12 2 m m v v2 2 + + A A只有当入射光能量大于电子逸出功时，只有当入射光能量大于电子逸出功时， 才能产生光电子，红限频率才能产生光电子，红限频率光电流与入射光强成正比光电流与入射光强成正比光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压光电子逸出物体表面具有初始动能，负截止电压从光照至发射电子，时间从光照至发射电子，时间 10 10-9-9 s s2 2、外光电效应、外光电效应电子吸收光子能量电子吸收光子能量克服物质的束缚

22、，电子逸出功克服物质的束缚，电子逸出功转化为逸出电子的动能转化为逸出电子的动能哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.63 3、内光电效应、内光电效应E电子能量导带价带禁带h光生电子光生电子- -空穴对空穴对光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应载流子数目增多、电导率变大载流子数目增多、电导率变大条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度条件：入射光能量大于半导体材料的禁带宽度4 4、光电导效应、光电导效应哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6能带理论能级（能带理论能级（EnegyEnegy Level Level） 在孤立原子中，原子核外的电子按照一定的壳层排在孤立原子中，原

23、子核外的电子按照一定的壳层排列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的列，每一壳层容纳一定数量的电子。每个壳层上的电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。电子具有分立的能量值，也就是电子按能级分布。为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高为简明起见，在表示能量高低的图上，用一条条高低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能低不同的水平线表示电子的能级，此图称为电子能级图。级图。 禁带（禁带（Forbidden BandForbidden Band）：允许被电子占据的能带）：允许被电子占据的能带称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据称为允许带，允许带之间的范围是不允许电子占据的

24、，此范围称为禁带。的，此范围称为禁带。 原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后原子壳层中的内层允许带总是被电子先占满，然后再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满再占据能量更高的外面一层的允许带。被电子占满的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能的允许带称为满带，每一个能级上都没有电子的能带称为空带。带称为空带。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6能带理论能级（能带理论能级（EnegyEnegy Level Level） 价带（价带（Valence BandValence Band）：原子中最外层的电子称为价电子）：原子中最外层的电子称为价电子，与价电带。，与价电带。

25、导带（导带（Conduction BandConduction Band）：价带以上能量最低的）：价带以上能量最低的允许带称为导带。导带的底能级表示为允许带称为导带。导带的底能级表示为EcEc，价带，价带的顶能级表示为的顶能级表示为EvEv，EcEc与与EvEv之间的能量间隔为禁之间的能量间隔为禁带带EgEg。 导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动导体或半导体的导电作用是通过带电粒子的运动（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载（形成电流）来实现的，这种电流的载体称为载流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的流子。导体中的载流子是自由电子，半导体中的载流子则是带负电的电子和带正电的空

26、穴。对于载流子则是带负电的电子和带正电的空穴。对于不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目不同的材料，禁带宽度不同，导带中电子的数目也不同，从而有不同的导电性。也不同，从而有不同的导电性。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限对于每种半导体材料存在一个入射光的波长限入射光光强愈强，电导率愈大入射光光强愈强，电导率愈大gEchh24.1gE光照下，使半导体产生光照下，使半导体产生一定方向电动势的现象。一定方向电动势的现象。4 4、光生伏特效应、光生伏特效应PN光照内E哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6一、光伏效应的两个基本条件一、光

27、伏效应的两个基本条件 光伏效应就是半导体材料吸收光能后，在光伏效应就是半导体材料吸收光能后，在其势垒区两边产生电动势的效应。光伏效应是其势垒区两边产生电动势的效应。光伏效应是半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。半导体太阳电池实现光电转换的理论基础。 为使这些光电器件能产生光生电动势为使这些光电器件能产生光生电动势( (或光或光生积累电荷生积累电荷) )，它们应该满足以下两个条件：，它们应该满足以下两个条件：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 第一，半导体材料对一定波长的入射光有足够第一，半导体材料对一定波长的入射光有足够大的光吸收系数大的光吸收系数，即要求入射光子的能量，即要求入

28、射光子的能量hh大于或等于半导体材料的禁带宽度大于或等于半导体材料的禁带宽度E Eg g，使该入射，使该入射光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子光子能被半导体吸收而激发出光生非平衡的电子空穴对。空穴对。 第二，具有光伏结构，即有一个内建电场所对第二，具有光伏结构，即有一个内建电场所对应的势垒区。应的势垒区。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PNPN结，一般做成面积较大的薄片状，结，一般做成面积较大的薄片状，来接收更多的入射光。图示的是硒光电池的结构。制造工艺是：来接收更多的入射光。图示的是硒光电池的结构。制造工艺是：先在铝片上覆盖一

29、层先在铝片上覆盖一层P P型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成型硒，然后蒸发一层镉，加热后生成N N型型硒化镉，与原来硒化镉，与原来P P型硒形成一个大面积型硒形成一个大面积PNPN结，最后涂上半透明结，最后涂上半透明保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化保护层，焊上电极，铝片为正极，硒化镉镉为负极。为负极。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 光电池的工作原理光电池的工作原理N型硅片PN结扩散层（P层）电极光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为

30、太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6出去活动一下出去活动一下哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 二 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，它可把入硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到对在内电场作用下分别漂移到N N型区和型区和

31、P P型区，当在型区，当在PNPN结两结两端加负载时就有一光生电流流过负载。端加负载时就有一光生电流流过负载。光电池结构示意图哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 在零偏条件下，如用光照射在零偏条件下，如用光照射p p区或区或n n区 ， 只 要 照 射 光 的 波 长 满 足区 ， 只 要 照 射 光 的 波 长 满 足 cc，都会激发出光生电子，都会激发出光生电子-空穴对。空穴对。 光照光照p p区，由于区，由于p p区的多数载区的多数载流子是空穴，光照前热平衡空穴浓流子是空穴，光照前热平衡空穴浓度本来就比较大，因此光生空穴对度本来就

32、比较大，因此光生空穴对p p区空穴浓度影响很小。区空穴浓度影响很小。 相反，光生电子对相反，光生电子对p p区的电子浓度影响很大，从区的电子浓度影响很大，从p p区区表面表面( (吸收光能多，光生电子多吸收光能多，光生电子多) )向向p p区内自然形成电区内自然形成电子扩散趋势。子扩散趋势。如果如果p p区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电区厚度小于电子扩散长度，那么大部分光生电子都能扩散进入子都能扩散进入P-nP-n结。结。2pnpn结的光电转换原理结的光电转换原理哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 一进入一进入p-np-n结就被内电场拉向结就被内电场拉向n n区。这区。这样

33、光生电子样光生电子- -空穴对就被内电场分离开空穴对就被内电场分离开来，空穴留在来，空穴留在p p区，电子通过扩散流向区，电子通过扩散流向n n区。区。这时用电压表就能测量出这时用电压表就能测量出p p区正区正, n, n区负区负的开路电压的开路电压u un n，称为光生伏特效应。如果，称为光生伏特效应。如果用一个理想电流表接通用一个理想电流表接通p-np-n结，则有电流结，则有电流i i0 0通过称为短路电流。通过称为短路电流。 综上所述，综上所述， 光照零偏光照零偏p-np-n结产生开结产生开路电压的效应，称为光伏路电压的效应，称为光伏效应。这也是光电池的工效应。这也是光电池的工作原理。作

34、原理。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 从上面分析可知，光生电压起源于定向光生电流提供的、从上面分析可知，光生电压起源于定向光生电流提供的、在势垒两边分别积累的两种光生电荷。在势垒两边分别积累的两种光生电荷。 假设势垒区中复合可以忽略，各区电子空穴对产生假设势垒区中复合可以忽略，各区电子空穴对产生率为恒定值率为恒定值G G的简单情况下，光生电流表达式可写成：的简单情况下，光生电流表达式可写成： IPh qAG(Ln+W+Lp ) 式中式中q q是电子电荷，是电子电荷，A A为势垒区面积，为势垒区面积，L Ln n、L Lp p是电子和空穴的是电子和空穴的扩散长度，是势扩散长度，是

35、势垒区宽度。垒区宽度。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 （1） PN结两端的电流： 光电池处于零偏时，光电池处于零偏时，V V0 0，流过，流过PNPN结的电结的电流流I IIP IP ；光电池处于反偏时（实验中取；光电池处于反偏时（实验中取V V 5V5V），流过），流过PNPN结的电流结的电流I I IP- Is IP- Is ，当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或当光电池用作光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。反偏状态。 PKTevsIeII) 1(/哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6（2）光电流IP与输出光功率Pi之间的关系： R R 为响应率，为响应

36、率，R R 值随入射光波长的不同值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池而变化，对不同材料制作的光电池R R值分别在短值分别在短波长和长波长处存在一截止波长。波长和长波长处存在一截止波长。 PiIRP哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 由上述分析可知，理想由上述分析可知，理想pnpn结太阳电池可以用一恒定结太阳电池可以用一恒定电流源电流源I Iphph ( (光生电流光生电流) )及一理想二极管的并联来表及一理想二极管的并联来表示。故理想示。故理想pnpn结太阳电池的等效电路如图所示。结太阳电池的等效电路如图所示。 考虑实际太阳电池上存在泄漏电阻考虑实际太阳电池上存在泄漏

37、电阻R Rshsh和串联电阻和串联电阻R Rs s，那么，实际等效电路如图示。那么，实际等效电路如图示。 二、等效电路、伏安特性及输出特性二、等效电路、伏安特性及输出特性l lpnpn结太阳电池的等效电路结太阳电池的等效电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 2理想情况理想情况 在理想情况下，在理想情况下，pnpn结太阳电池的结太阳电池的R Rshsh很大，很大，R Rs s很小，两者影响很小，两者影响都可忽略。根据图所示理想等效电路，三股电流应满足如下都可忽略。根据图所示理想等效电路，三股电流应满足如下关系：关系： Iph-IFI 其中理想其中理想pnpn结二极管的正向注入电流为

38、：结二极管的正向注入电流为： 式中式中I I0 0是是pnpn结反向饱和电流，结反向饱和电流，q q是电子电荷，是电子电荷，k k是玻耳兹曼常是玻耳兹曼常数，数，T T为绝对温度。将式代入得到通过负载的电流：为绝对温度。将式代入得到通过负载的电流： 1exp0kTqVIIFphphFIkTqVIIII 1exp0哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 这就是理想情况下负载电阻上电流与电压这就是理想情况下负载电阻上电流与电压的关系，即太阳电池的伏安特性。其曲线的关系，即太阳电池的伏安特性。其曲线如图所示。如图所示。从式及其伏安特性曲线上，可以得出描述从式及其伏安特性曲线上，可以得出描述太

39、阳电池的几个输出参数太阳电池的几个输出参数 （1 1）短路电流）短路电流I Iscsc，是，是V V=0=0时的输出电流。时的输出电流。在理想情况下，它等于光生电流在理想情况下，它等于光生电流 I Iphph （2 2）开路电压）开路电压V Vococ。令式中。令式中I I=0=0，则给出开，则给出开路电压的理想值：路电压的理想值： 1ln0IIqkTVphOC哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.10

40、12345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) (a) 硅光电池硅光电池(b)(b)硒光电池硒光电池（1 1）光照特性）光照特性 光电器件工作电压一定时，入射光通量与光电器件工作电压一定时，入射光通量与光电流的关系光电流的关系开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为曲线，当照度为2000lx2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线开路电压短路电流短路电流哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性)(V压电路开)(mA流电

41、路短哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 3 3）太阳电池的光电转换效率）太阳电池的光电转换效率 式中式中P Pinin是入射到电池上光总功率。是入射到电池上光总功率。inOCinmpmpPVPIV.FFIsc1ln)(00IRIRVIIIIRVkTqshsphs实际上，太阳电池存在着实际上，太阳电池存在着R Rs s 和和R Rshsh的影响。根据实际等效电路，的影响。根据实际等效电路，可以推导出实际太阳电池的伏安特性可以推导出实际太阳电池的伏安特性： 3 3非理想情况非理想情况哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 光电转换效

42、率光电转换效率是表征太阳电池性能的最重要的参数。是表征太阳电池性能的最重要的参数。阐述入射太阳辐射功率计算的依据，阐述入射太阳辐射功率计算的依据，再以硅再以硅pnpn结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，结太阳电池为主，兼顾其它种类电池，讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方讨论理想情况下最大理论效率的一种考虑计算方法。法。考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效考虑在非理想情况下，影响效率的诸多因素及效应。应。太阳电池的光电转换效率太阳电池的光电转换效率哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6太阳能电池的性能指标太阳能电池的性能指标- -转换效率转换效率 太阳能电池的转换效率是指电池

43、将接收太阳能电池的转换效率是指电池将接收到的光能转换成电能的比率到的光能转换成电能的比率 晶硅类理论转晶硅类理论转换效率极限为换效率极限为29%29%。而现在的太阳能电而现在的太阳能电池的转换效率为池的转换效率为17%17%19%19%。因此。因此, ,太太阳能电池的技术上阳能电池的技术上还有很大的发展空还有很大的发展空间。间。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6硅光电池的光谱特性硅光电池的光谱特性)(um波长%相对灵敏度硅光电池的伏安特性硅光电池的伏安特性IULR230M光谱特性：工作电压不变，光谱特性：工作电压不变，入射光波长与灵敏度

44、（量入射光波长与灵敏度（量子效率）的关系子效率）的关系哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光谱特性光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在长在540nm540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围围400nm400nm1100nm1100nm，峰值波长在，峰值波长在850nm850nm附近，因此硅光附近，因

45、此硅光电池可以在很宽的范围内应用。电池可以在很宽的范围内应用。1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 太阳电池所利用太阳电池所利用的太阳能来源于太阳的太阳能来源于太阳辐射。太阳中心发生辐射。太阳中心发生的核聚变反应，连续的核聚变反应，连续不断地释放出巨大能不断地释放出巨大能量，主要以光辐射形量，主要以光辐射形式从太阳表面的发光式从太阳表面的发光层向太空辐射。层向太空辐射。 表面发光层温度表面发光层温度约约6000K6000K，其辐射光，其辐射光谱与谱与6000K6000K绝对黑体绝对黑体的连续辐射光谱类似的连续辐射光谱类似( (见图见图) )。

46、太阳辐射光谱太阳辐射光谱AM0AM0和和AMl.5AMl.5哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 太 阳 辐 射 经 过 日太 阳 辐 射 经 过 日 - - 地 平 均 距 离地 平 均 距 离 ( ( 约约1.51.510108 8公里公里) )，传播到地球大气层外面，传播到地球大气层外面，其辐射能面密度已大大降低。其辐射能面密度已大大降低。 在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单在这个距离上，垂直于太阳辐射方向单位面积上的辐射功率基本上是个常数，位面积上的辐射功率基本上是个常数，称为太阳常数。其数值是称为太阳常数。其数值是1.353kW1.353kWm m2 2。 这是许多国家使用

47、这是许多国家使用高空气球、高空飞高空气球、高空飞机、人造卫星、宇机、人造卫星、宇宙飞船等对太阳辐宙飞船等对太阳辐射进行大量测试、射进行大量测试、综合而得到的公认综合而得到的公认数据。数据。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电目前世界上许多国家把太阳常数作为计算太空用太阳电池的入射光功率密度的依据，又称池的入射光功率密度的依据，又称AMOAMO光谱条件。光谱条件。 在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图在此条件下测试太空用太阳电池效率时，光源应满足图AMOAMO的光谱分布，总能量为的光谱分布，总能量为135.3mW135.3m

48、Wcmcm2 2，电池测试温，电池测试温度为度为2525。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 AMOAMO光谱的太阳光谱的太阳辐射经过大气辐射经过大气层中臭氧、氧层中臭氧、氧气、水汽、二气、水汽、二氧化碳及悬浮氧化碳及悬浮固体微粒固体微粒( (烟尘烟尘、粉等、粉等) )的吸收的吸收、散射和反射、散射和反射，到达地面时，到达地面时，光谱分布上，光谱分布上出现了许多吸出现了许多吸收谷，而且总收谷，而且总辐射能至少衰辐射能至少衰减掉减掉3030( (如图如图所示所示) )。在晴朗天气的理想条件下，决在晴朗天气的理想条件下，决定投射于地面的太阳辐射功率定投射于地面的太阳辐射功率的最重要参数

49、是光穿过大气层的最重要参数是光穿过大气层通路的长度。当太阳位于天顶通路的长度。当太阳位于天顶，该长度最短。，该长度最短。任一实际光通路长度与此最短任一实际光通路长度与此最短长度之比称为大气质量，符号长度之比称为大气质量，符号记为记为AM(AirAM(Air Mass Mass的缩写的缩写) )。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6(3) (3) 频率特性频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化

50、的关系。由于光电池光频率变化的关系。由于光电池PNPN结面积较大，极结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线应，如曲线2 2，而硒光电池则较差，如曲线，而硒光电池则较差，如曲线1 1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光电池硒光电池2 2硅光电池硅光电池哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6（4 4）温度特性）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短

51、路电流随温度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关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。偿措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200U UOCOC开路电压开路电压I ISC SC 短

52、路电流短路电流硅光电池在硅光电池在1000lx1000lx照照度下的温度特性曲线度下的温度特性曲线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各太阳电池在光电能量转换过程中，由于存在各种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极种附加的能量损失，实际效率比上述的理论极限效率低。限效率低。 下面以下面以pnpn结硅太阳电池为例结硅太阳电池为例, , 来阐述各种能来阐述各种能量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工量损失之机理，作为改进太阳电池的设计及工艺，提高其效率的基础。艺，提高其效率的基础。影响太阳电池效率的一些因素影响太阳电池效率的一些因素哈尔滨工业大

53、学哈尔滨工业大学2012.10.6太阳电池效率损失中，有三种是属于太阳电池效率损失中，有三种是属于“光学损失光学损失”，其主，其主要影响是降低了光生电流值。要影响是降低了光生电流值。（1 1）反射损失）反射损失R R() )：从空气：从空气( (或真空或真空) )垂直入射到媒质垂直入射到媒质( (如如半导体材料半导体材料) )的单色光的反射率：的单色光的反射率： 2222) 1() 1(knknR1 1光生电流的光学损失光生电流的光学损失式中式中n n为半导体材料复数折射为半导体材料复数折射率率N N之实部，即普通折射率，之实部，即普通折射率，k k是其虚部，称为消光系数。是其虚部，称为消光系

54、数。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6 每种材料的每种材料的n n和和k k都与入射光之波长有关。对硅来说，其关都与入射光之波长有关。对硅来说，其关系曲线如图所示。把系曲线如图所示。把n n、k k的结果代入式中，发现在感兴趣的结果代入式中，发现在感兴趣的太阳光谱中，超过的太阳光谱中，超过30%30%的光能被裸露硅表面反射掉了。的光能被裸露硅表面反射掉了。 硅折射率的实部硅折射率的实部n n与虚与虚部部k k与光子能量的关系与光子能量的关系哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6(3)3)透射损失：如果电池厚度不透射损失：如果电池厚度不足够大，某些能量合适能被吸收足够大，某些

55、能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。这的光子可能从电池背面穿出。这决定了半导体材料之最小厚度。决定了半导体材料之最小厚度。(2)(2)栅指电极遮光损失栅指电极遮光损失c c，定义为栅指电极遮光面积在太阳定义为栅指电极遮光面积在太阳电池总面积中所占的百分比。对电池总面积中所占的百分比。对一般电池来说，一般电池来说，c c约为约为4%4%15%15%。PnPn结硅太阳电池的截面图结硅太阳电池的截面图间接带隙半导体要求材料的厚间接带隙半导体要求材料的厚度比直接带隙的厚。对于硅和度比直接带隙的厚。对于硅和砷化镓的计算结果示于图中。砷化镓的计算结果示于图中。光生载流子的定向运动形成光光生载流子的定

56、向运动形成光生电流生电流I Iphph最大光生电流值为：最大光生电流值为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.6式中式中N Nphph( (E Eg g) )为每秒钟为每秒钟投射到电池上能量大投射到电池上能量大于于E Eg g的总光子数。的总光子数。 dxdxqGHdxdeRcqHIxiph),(00)()(1)1)(00)(xieRcxG)()()(1)1)(),(Iphmax=qNph（Eg）)式中式中 ( ()为投射在电池上、波长为为投射在电池上、波长为，单，单位带宽的光子数；位带宽的光子数；i i为量子产额，即一个为量子产额，即一个能量大于带隙能量大于带隙E Eg g的光子产生

57、一对光生电子空的光子产生一对光生电子空穴对的几率，通常可令穴对的几率，通常可令i i=1=1；dxdx为距电池为距电池表面表面x xt t处厚度为处厚度为dxdx的薄层；的薄层；H H为电池厚度；为电池厚度；G G（、x x）表示）表示由波长为由波长为、单、单位带宽的光子射位带宽的光子射进材料在进材料在x x处的产处的产生率。生率。考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：考虑上述三种光学损失及材料吸收之后，光生电流可表示为：哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2012.10.62 2串联电阻串联电阻R Rs s和旁路电阻和旁路电阻R Rshsh 引起效率下降引起效率下降 在硅太阳电池中，由硅材料体电在硅太阳电池中，由硅材料体电阻、溥层电阻、电极接触电阻及阻、溥层电阻、电极接触电阻及电极本身传导电流的电阻构成了电极本身传导电流的电阻构