第3章第1.3節(jié)光電池新

PN結(jié)受到光照時(shí)，可在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生光生電勢(shì)差，這種現(xiàn)象則稱為光伏效應(yīng)利用半導(dǎo)體PN結(jié)光伏效應(yīng)制成的器件稱為光伏器件，簡(jiǎn)稱PV（Photovoltaic），也稱結(jié)型光電器件這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場(chǎng)效應(yīng)管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測(cè)器（PSD）、光電耦合器件等。光生伏特器件

四象限器件線陣器件單元器件3.3.1光伏探測(cè)器-光電池

光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)制成的不需加偏壓就能將光能轉(zhuǎn)化成電能的光電器件。一．原理與結(jié)構(gòu)

光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)制成的將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件。它的基本結(jié)構(gòu)就是一個(gè)P-N結(jié)。

光電池是在n（p）型硅基底上擴(kuò)散p（n）型雜質(zhì)并作為受光面，構(gòu)成p-n結(jié)后，再經(jīng)過各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護(hù)膜（一方面起防潮保護(hù)作用，另一方面對(duì)入射光起抗反射作用），即成光電池。np二氧化硅電極光電池的符號(hào)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等效電路如圖所示從以上結(jié)構(gòu)圖可知,由光照產(chǎn)生的電子和空穴在內(nèi)電場(chǎng)的作用下才形成光生電動(dòng)勢(shì)和光電流,由于內(nèi)電場(chǎng)是由摻雜的P區(qū)和n區(qū)自由擴(kuò)散形成的，故內(nèi)建電場(chǎng)的強(qiáng)度是非常有限的，這就導(dǎo)致了光電池的光電轉(zhuǎn)換效率非常低，最高也只能是百分之十幾。光電池的輸出也受外接負(fù)載電阻大小的影響，如圖所示。當(dāng)RL＝0時(shí)，U＝0，則I＝Iφ＝S即輸出電流與入射光通量φ成線性關(guān)系。當(dāng)RL≠0時(shí)，U≠0，U↑，PN結(jié)的等效電阻rD↓，則ID↑；當(dāng)U繼續(xù)增大到PN結(jié)的導(dǎo)通電壓時(shí)（RL非常大時(shí)），U就不會(huì)再增大，此時(shí)，PN結(jié)的rD變得很小，光照所產(chǎn)生的光電流Iφ幾乎全部流向二極管，即Iφ≈ID.這時(shí)，在負(fù)載RL上除有少量的電流維持PN結(jié)的導(dǎo)通電壓U外，光照產(chǎn)生的光電流幾乎都消耗在光電池內(nèi)部。2、光電池的結(jié)構(gòu)、分類光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般作成面積大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。為了減少反射光，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，同時(shí)也可以起到防潮，防腐蝕的保護(hù)作用。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，上電極做成梳齒狀或“E”字型電極

2DR型：以p型硅做基底，n型薄層受光面2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵光電池等。光電池按材料分按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)光電池等。國(guó)產(chǎn)同質(zhì)結(jié)硅光電池因襯底材料導(dǎo)電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。光電池按結(jié)構(gòu)分按用途分：太陽(yáng)能電池：

測(cè)量用光電池：

分類：－－主要功能是作為光電探測(cè)用，光照特性的線性度好－－主要用作電源，轉(zhuǎn)換效率高、成本低(SolarCells)短路電流曲線：短路電流與光照度成線性關(guān)系

開路電壓曲線：開路電壓與光照度成對(duì)數(shù)關(guān)系

，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。E/klx

E/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流2.特性1)光照特性

2)接有負(fù)載電阻RL的硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAE/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0因此在要求輸出電流與光照度成線性關(guān)系時(shí)，負(fù)載電阻在條件允許的情況下越小越好，并限制在強(qiáng)光下使用。3)光譜特性硅光電池的光譜特性硅光電池響應(yīng)波長(zhǎng)0.4-1.1微米，峰值波長(zhǎng)0.8-0.9微米。硒光電池響應(yīng)波長(zhǎng)0.34-0.75微米，峰值波長(zhǎng)0.54微米。4)溫度特性硅光電池的溫度特性

開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度光電池做探測(cè)器件時(shí)，測(cè)量?jī)x器最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。5)伏安特性圖為在不同的光照之下光電池的伏安特性。圖中還畫出了三條負(fù)載線。負(fù)載短接或很小時(shí)，負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)為等距離，電流正比于照度，數(shù)值也較大。負(fù)載電阻較大時(shí)，負(fù)載線與伏安特性的交點(diǎn)相互間距不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。6)頻率特性在調(diào)制頻率較高的場(chǎng)合，應(yīng)采用硅光電池。要得到短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小的負(fù)載電阻RL；光電池面積越大則響應(yīng)時(shí)間越大，因?yàn)楣怆姵孛娣e越大則結(jié)電容Cj越大，在給定負(fù)載時(shí)，時(shí)間常數(shù)就越大，故要求短的響應(yīng)時(shí)間，必須選用小面積光電池。注意事項(xiàng)：①硅光電池在強(qiáng)輻射下是穩(wěn)定的，對(duì)于硒光電池，在強(qiáng)光照射時(shí)性能變化很大，這主要是由于此時(shí)體內(nèi)已起了變化或表面的硒被氧化所造成的。②硅光電池由薄的硅片制成，極脆，使用時(shí)要特別小心。硅光電池的引線很嬌嫩，不能拉力太大。硅光電池的背面通常鍍有一層增透膜，使用時(shí)應(yīng)避免硬物接觸表面。因此，合理的使用光電池可以保證其性能穩(wěn)定、可靠性好以及壽命長(zhǎng)等等。三.電路光電池用作太陽(yáng)能電池時(shí)的電路如圖3.1.3－5所示。在黑夜或光線微弱時(shí)，為防止蓄電池經(jīng)過光電池放電而設(shè)置二極管D。1．光電池用作太陽(yáng)能電池光電池用作檢測(cè)元件使用時(shí)的電路如圖3.1.3－6所示，此電路可實(shí)現(xiàn)光電池的線性輸出。對(duì)光電池而言，RL近似等于0。圖中，Vo=－2RfIφ＝－2RfSφ。2．光電池用作檢測(cè)元件1、光電轉(zhuǎn)換部位不同2、光敏電阻需外加電壓，沒有極性，無(wú)正向、反向偏置之分；而結(jié)型器件因p-n結(jié)的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且無(wú)外加電壓，也可工作，也能實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。3、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產(chǎn)生—復(fù)合運(yùn)動(dòng)，弛豫時(shí)間常數(shù)大，頻率響應(yīng)差。結(jié)型器件的光電流依賴于結(jié)區(qū)部分光生載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，弛豫過程時(shí)間常數(shù)小，響應(yīng)速度快。與光敏電阻的比較6、光電池的應(yīng)用1)、光電池用作太陽(yáng)能電池把光能直接轉(zhuǎn)化成電能，需要最大的輸出功率和轉(zhuǎn)化效率。即把受光面做得較大，或把多個(gè)光電池作串、并聯(lián)組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛(wèi)星、微波站等無(wú)輸電線路地區(qū)的電源供給。2)、光電池用作檢測(cè)元件利用其光敏面大，頻率響應(yīng)高，光電流與照度線性變化，適用于開關(guān)和線性測(cè)量等。1）太陽(yáng)能電池太陽(yáng)能特點(diǎn)：①無(wú)枯竭危險(xiǎn)；②絕對(duì)干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發(fā)電；⑤能源質(zhì)量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費(fèi)的時(shí)間短。要使太陽(yáng)能發(fā)電真正達(dá)到實(shí)用水平，一是要提高太陽(yáng)能光電變換效率并降低成本；二是要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。1、光生電流的光學(xué)損失1）反射損失：超過30%的光能被裸露硅表面反射掉2）柵電極遮光損失：3）透射損失：電池厚度不夠，則某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。2、光生少子的收集幾率：由于存在少子復(fù)合，所產(chǎn)生的每一個(gè)光生少數(shù)載流子不可能全部被收集起來(lái)；3、太陽(yáng)電池的光譜響應(yīng)4、影響開路電壓Voc的實(shí)際因素：半導(dǎo)體的復(fù)合率越高，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度越短，Voc越低;5、串聯(lián)電阻和旁路電阻引起效率下降6、溫度效應(yīng)影響太陽(yáng)能電池效率的一些因素1、最佳禁帶寬度的選擇2、抗反射膜3、接觸面積4、接觸電阻5、收集電阻6、太陽(yáng)電池的光吸收7、載流子收集8、表面復(fù)合9、背接觸與背場(chǎng)效應(yīng)提高太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率的途徑無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池半導(dǎo)體硅(單晶、多晶、非晶、復(fù)合型等）化合物半導(dǎo)體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機(jī)太陽(yáng)能電池有機(jī)半導(dǎo)體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對(duì)苯乙炔等）光化學(xué)太陽(yáng)能電池（納米TiO2等）按照所用材料的不同：太陽(yáng)能電池的分類無(wú)機(jī)太陽(yáng)能電池的性能及應(yīng)用1.硅系太陽(yáng)能電池單晶硅太陽(yáng)能電池

優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率高(24.4%)

，技術(shù)最為成熟

缺點(diǎn)：成本高，基底厚度達(dá)350--450μm。提高轉(zhuǎn)化率的途徑：?jiǎn)尉Ч璞砻嫖⒔Y(jié)構(gòu)處理和分區(qū)摻雜工藝德國(guó)費(fèi)萊堡太陽(yáng)能系統(tǒng)研究所保持至世界領(lǐng)先水平3)非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)：成本低缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率低(13%)制備方法：多采用化學(xué)氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法解決方法：制造疊層太陽(yáng)能電池2)多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池優(yōu)點(diǎn)：成本低，轉(zhuǎn)化率不衰退(18%)制備方法：多采用化學(xué)氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池主要包括：砷化鎵、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池

硫化鎘(CdS)

、碲化鎘(CdSe)

：鎘有劇毒，不理想

砷化鎵(GaAs)：高轉(zhuǎn)化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光譜響應(yīng)可見和紫外，溫度特性好，已開始用于空間太電池

銅銦硒(CuInSe2)

：優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)化率高(17%)，價(jià)格低廉，性能良好，工藝簡(jiǎn)單缺點(diǎn)：銦和硒都是稀有元素，發(fā)展受限4.納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池

工作原理：染料分子吸收太陽(yáng)光能躍遷到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)不穩(wěn)定，電子快速注入到緊鄰的TiO2的導(dǎo)帶，染料分子中失去的電子很快從電解質(zhì)中的導(dǎo)補(bǔ)償，進(jìn)入TiO2導(dǎo)帶中的電子最終進(jìn)入導(dǎo)電膜，然后通過外回路產(chǎn)生光電流。

優(yōu)點(diǎn)：成本低廉，轉(zhuǎn)化率已穩(wěn)定在10%以上，壽命達(dá)15—20年。3.有機(jī)太陽(yáng)能電池

工作原理：有機(jī)半導(dǎo)體產(chǎn)生的電子和空穴束縛在激子之中,電子和空穴在界面(電極和導(dǎo)電聚合物的結(jié)合處)上分離。

優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格低、易成形、可通過化學(xué)修飾調(diào)控性能1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室制成了世界上第一個(gè)實(shí)用的太陽(yáng)能電池，效率為4%，于1958年應(yīng)用到美國(guó)的先鋒1號(hào)人造衛(wèi)星上。

太陽(yáng)能電池的應(yīng)用我國(guó)1958年開始進(jìn)行太陽(yáng)能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽(yáng)能電池用在了發(fā)射的第二顆衛(wèi)星上。

硅光電池組成的光控閃光裝置光電池驅(qū)動(dòng)的涼帽BIPV（光伏建筑一體化）并網(wǎng)光伏系統(tǒng)瑞士學(xué)生公寓上的玻璃幕墻日本AriaKa攝影工作室外的光伏系統(tǒng)德國(guó)旭格國(guó)際集團(tuán)安裝的一個(gè)建筑屋頂項(xiàng)目日本sanyo1MW的屋頂太陽(yáng)能飛機(jī)

1974年世界上第一架太陽(yáng)能電池飛機(jī)在美國(guó)首次試飛。現(xiàn)在，最先進(jìn)的太陽(yáng)能飛機(jī)，飛行高度可達(dá)2萬(wàn)多米，航程超過4000公里。

Hondadream,thewinningcarinthe1996WorldSolarChallenge.

Solarcell光電追蹤電路圖光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)