第3章第1.3节光电池新

PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，简称PV（Photovoltaic），也称结型光电器件这类器件品种很多，其中包括各种光电池、光电二极管、光电晶体管、光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、光可控硅、阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。光生伏特器件

四象限器件线阵器件单元器件3.3.1光伏探测器-光电池

光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转化成电能的光电器件。一．原理与结构

光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转变为电能的一种器件。它的基本结构就是一个P-N结。

光电池是在n（p）型硅基底上扩散p（n）型杂质并作为受光面，构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护膜（一方面起防潮保护作用，另一方面对入射光起抗反射作用），即成光电池。np二氧化硅电极光电池的符号以及内部结构等效电路如图所示从以上结构图可知,由光照产生的电子和空穴在内电场的作用下才形成光生电动势和光电流,由于内电场是由掺杂的P区和n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，这就导致了光电池的光电转换效率非常低，最高也只能是百分之十几。光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图所示。当RL＝0时，U＝0，则I＝Iφ＝S即输出电流与入射光通量φ成线性关系。当RL≠0时，U≠0，U↑，PN结的等效电阻rD↓，则ID↑；当U继续增大到PN结的导通电压时（RL非常大时），U就不会再增大，此时，PN结的rD变得很小，光照所产生的光电流Iφ几乎全部流向二极管，即Iφ≈ID.这时，在负载RL上除有少量的电流维持PN结的导通电压U外，光照产生的光电流几乎都消耗在光电池内部。2、光电池的结构、分类光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，上电极做成梳齿状或“E”字型电极

2DR型：以p型硅做基底，n型薄层受光面2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形有硅、硒、硫化镉、砷化镓光电池等。光电池按材料分按结构分，有同质结和异质结光电池等。国产同质结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系列和2DR系列两种。光电池按结构分按用途分：太阳能电池：

测量用光电池：

分类：－－主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好－－主要用作电源，转换效率高、成本低(SolarCells)短路电流曲线：短路电流与光照度成线性关系

开路电压曲线：开路电压与光照度成对数关系

，当照度为2000lx时趋向饱和。E/klx

E/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池开路电压短路电流短路电流2.特性1)光照特性

2)接有负载电阻RL的硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAE/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0因此在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件允许的情况下越小越好，并限制在强光下使用。3)光谱特性硅光电池的光谱特性硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。4)温度特性硅光电池的温度特性

开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度光电池做探测器件时，测量仪器最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。5)伏安特性图为在不同的光照之下光电池的伏安特性。图中还画出了三条负载线。负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于照度，数值也较大。负载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小。6)频率特性在调制频率较高的场合，应采用硅光电池。要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。注意事项：①硅光电池在强辐射下是稳定的，对于硒光电池，在强光照射时性能变化很大，这主要是由于此时体内已起了变化或表面的硒被氧化所造成的。②硅光电池由薄的硅片制成，极脆，使用时要特别小心。硅光电池的引线很娇嫩，不能拉力太大。硅光电池的背面通常镀有一层增透膜，使用时应避免硬物接触表面。因此，合理的使用光电池可以保证其性能稳定、可靠性好以及寿命长等等。三.电路光电池用作太阳能电池时的电路如图3.1.3－5所示。在黑夜或光线微弱时，为防止蓄电池经过光电池放电而设置二极管D。1．光电池用作太阳能电池光电池用作检测元件使用时的电路如图3.1.3－6所示，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池而言，RL近似等于0。图中，Vo=－2RfIφ＝－2RfSφ。2．光电池用作检测元件1、光电转换部位不同2、光敏电阻需外加电压，没有极性，无正向、反向偏置之分；而结型器件因p-n结的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压，也可工作，也能实现光电转换。3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度快。与光敏电阻的比较6、光电池的应用1)、光电池用作太阳能电池把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电线路地区的电源供给。2)、光电池用作检测元件利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用于开关和线性测量等。1）太阳能电池太阳能特点：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。1、光生电流的光学损失1）反射损失：超过30%的光能被裸露硅表面反射掉2）栅电极遮光损失：3）透射损失：电池厚度不够，则某些能量合适能被吸收的光子可能从电池背面穿出。2、光生少子的收集几率：由于存在少子复合，所产生的每一个光生少数载流子不可能全部被收集起来；3、太阳电池的光谱响应4、影响开路电压Voc的实际因素：半导体的复合率越高，少子扩散长度越短，Voc越低;5、串联电阻和旁路电阻引起效率下降6、温度效应影响太阳能电池效率的一些因素1、最佳禁带宽度的选择2、抗反射膜3、接触面积4、接触电阻5、收集电阻6、太阳电池的光吸收7、载流子收集8、表面复合9、背接触与背场效应提高太阳能电池转换效率的途径无机太阳能电池半导体硅(单晶、多晶、非晶、复合型等）化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）光化学太阳能电池（纳米TiO2等）按照所用材料的不同：太阳能电池的分类无机太阳能电池的性能及应用1.硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池

优点：转化率高(24.4%)

，技术最为成熟

缺点：成本高，基底厚度达350--450µm。提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平3)非晶硅薄膜太阳能电池优点：成本低缺点：转化率低(13%)制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法解决方法：制造叠层太阳能电池2)多晶硅薄膜太阳能电池优点：成本低，转化率不衰退(18%)制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法多元化合物薄膜太阳能电池主要包括：砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池

硫化镉(CdS)

、碲化镉(CdSe)

：镉有剧毒，不理想

砷化镓(GaAs)：高转化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光谱响应可见和紫外，温度特性好，已开始用于空间太电池

铜铟硒(CuInSe2)

：优点：转化率高(17%)，价格低廉，性能良好，工艺简单缺点：铟和硒都是稀有元素，发展受限4.纳米晶化学太阳能电池

工作原理：染料分子吸收太阳光能跃迁到激发态，激发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiO2的导带，染料分子中失去的电子很快从电解质中的导补偿，进入TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路产生光电流。

优点：成本低廉，转化率已稳定在10%以上，寿命达15—20年。3.有机太阳能电池

工作原理：有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面(电极和导电聚合物的结合处)上分离。

优点：价格低、易成形、可通过化学修饰调控性能1954年美国贝尔实验室制成了世界上第一个实用的太阳能电池，效率为4%，于1958年应用到美国的先锋1号人造卫星上。

太阳能电池的应用我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于1971年将研制的太阳能电池用在了发射的第二颗卫星上。

硅光电池组成的光控闪光装置光电池驱动的凉帽BIPV（光伏建筑一体化）并网光伏系统瑞士学生公寓上的玻璃幕墙日本AriaKa摄影工作室外的光伏系统德国旭格国际集团安装的一个建筑屋顶项目日本sanyo1MW的屋顶太阳能飞机

1974年世界上第一架太阳能电池飞机在美国首次试飞。现在，最先进的太阳能飞机，飞行高度可达2万多米，航程超过4000公里。

Hondadream,thewinningcarinthe1996WorldSolarChallenge.

Solarcell光电追踪电路图光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机