光電子電路9光電池

光電池及其應(yīng)用光伏技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)：光伏技術(shù)可直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能，用此技術(shù)制作的光電池使用方便，特別是近年來微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國(guó)家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，開發(fā)方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)。目前已有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力，年均增長(zhǎng)達(dá)16％，市場(chǎng)開拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應(yīng)用，甚至用于驅(qū)動(dòng)交通工具。據(jù)報(bào)道，全球發(fā)展、建造太陽(yáng)能住宅（光電池作屋頂、外墻、窗戶等建材用）投資規(guī)模為600億美元，而到2005年還會(huì)再翻一倍達(dá)1200億美元，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為21世紀(jì)的新能源。硅光電池的基體材料為一薄片P型單晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用熱擴(kuò)散法生成一層N型受光層,基體和受光層的交接處形成PN結(jié).在N型層受光層上制作有柵狀負(fù)電極,另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜,它是一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜,可以使電池對(duì)有效入射光的吸收率達(dá)到90%以上,并使硅光電池的短路電流增加25%-30%.硅材料為基體的硅光電池,可以使用單晶硅、多晶硅、非晶硅來制造.單晶硅光電池是目前應(yīng)用最廣的一種,它有2CR和2DR兩種類型,其中2CR型硅光電池采用N型單晶硅制造,2DR型硅光電池則采用P型單晶硅制造.（一）硅光電池結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。如圖2，太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)電池的工作原理。（三）特性參數(shù)①開路電壓Voc:在一定光照下，硅光電池兩輸出端開路時(shí)，所產(chǎn)生的光電子電壓。

②短路電流ISc:在一定光照下，硅光電池所接負(fù)載電阻為零時(shí)，流過硅光電池的電流。

③暗電流ID:在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所產(chǎn)生的電流。

④反向阻抗R:在無光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。

⑤峰值波長(zhǎng)λo:響應(yīng)光譜中吸收最大處的波長(zhǎng)。

⑥下限波長(zhǎng)λ1:響應(yīng)光譜中吸收力最大吸收的50%處所對(duì)應(yīng)的下限波長(zhǎng)?！?/p>

⑦上限波長(zhǎng)λ2:響應(yīng)光譜中吸收為最大吸收的50%處所對(duì)應(yīng)的上限波長(zhǎng)。

⑧最大反向電壓VRM:使用硅光電池時(shí)所允許加的極限反向電壓。

⑨轉(zhuǎn)換效率η:硅光電池輸出電能與輸入光能量的比值,大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)18.6％,多晶硅光電池理論計(jì)算表明其效率可在28％以上。

（二）硅藍(lán)光電池寬光譜響應(yīng)，它特別適用于工作在300nm-1000nm光譜范圍的各種光學(xué)儀器，對(duì)紫藍(lán)光有較高的靈敏度、器件體積小、性能穩(wěn)定可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，是光電管和硅光電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。紫藍(lán)硅光電池:BPW69-A,BPW34（1）伏安特性硅光電池的伏安特性，表示輸出電流和輸出電壓隨負(fù)載電阻變化的曲線。光電池等效電路

光電池伏安特性曲線

伏安特性曲線方程為：IL為光電池等效電路中的恒流源Is為光電池等效二極管反向飽和電流Rd為光電池等效電路中串聯(lián)電阻，

Rd很小，則方程改寫為：

S為光電靈敏度,L為入射光強(qiáng)度可以看出，開路電壓與入射光強(qiáng)成對(duì)數(shù)關(guān)系。而短路電流與入射光強(qiáng)成線性關(guān)系。電壓、電流隨入射光強(qiáng)度變化特性

電壓、電流與受光面積A變化特性

當(dāng)外接負(fù)載電阻時(shí)，如果負(fù)載電阻值比Rd小得多，則輸出電流可以近似認(rèn)為就是短路電流。此時(shí)，輸出電流與光強(qiáng)仍為線性關(guān)系。光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性

負(fù)載電阻愈小，線性度愈好，且線性范圍愈寬光強(qiáng)愈大，線性范圍愈?。?）輸出特性光電池兩端連接某一負(fù)載RL,其上的電流設(shè)為IL，電壓降為VL，則光電流在RL上產(chǎn)生的電功率為：PL=VLIL轉(zhuǎn)換效率η：電功率與入射光功率之間的比值。

IL、VL、PL的關(guān)系RM為功率最大值PM對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻值，稱為最佳負(fù)載。（3）光譜特性用單位輻射通量的不同波長(zhǎng)的光分別照射時(shí)光電池短路電流大小的相對(duì)值表示。硅光電池：光譜響應(yīng)范圍0.4~0.9μm

峰值波長(zhǎng)0.8~0.9μm硒光電池：光譜響應(yīng)范圍0.34~0.75μm

峰值波長(zhǎng)0.54μm（4）溫度特性（5）頻率特性用兩個(gè)性能相近的硅光電池作光接受器件，當(dāng)入射光通量相同時(shí)Vo=0，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作。當(dāng)光路系統(tǒng)略有偏差時(shí)，兩個(gè)硅光電池接收到的光通量發(fā)生變化，此時(shí)Vo≠0，這一差動(dòng)輸出信號(hào)經(jīng)過放大即可帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如微型電機(jī))對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行糾正，直到Vo=0為止，從而達(dá)到跟蹤的目的。光電跟蹤電路光控開關(guān)在無光照時(shí)，VT截止(或有較小的集電極電流，但不足以使繼電器吸合)；當(dāng)硅光電池受光照射后，產(chǎn)生正向電壓使VT導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作。路燈照明自動(dòng)控制電路在白天，硅光電池輸出電壓使VT1導(dǎo)通，VT2截止，繼電器不吸合;天黑時(shí)，硅光電池輸出電壓漸小，使得VT1截止，VT2導(dǎo)通，繼電器吸合，照明燈亮。電路中VT2、VT3組成施密特觸發(fā)器，用來避免照明燈產(chǎn)生忽明忽暗的抖動(dòng)現(xiàn)象。也可在較寬范圍內(nèi)選擇點(diǎn)亮照明燈的照度(即天黑到什么程度亮燈)，電容C1起延時(shí)作用(約5s)，以避免閃電引起瞬間滅燈現(xiàn)象。草坪燈電路太陽(yáng)能草坪燈電路。白天有太陽(yáng)光時(shí)，由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對(duì)BT2充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4b極為低電平而截止。當(dāng)晚上無光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，VQ2也導(dǎo)通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組成的DC升壓電路工作，LED得電發(fā)光。DC升壓電路其核心就是一個(gè)互補(bǔ)管振蕩電路，其工作過程為：VQ2導(dǎo)通時(shí)電源通過L1、R6、VQ4向C2充電，由于C2兩端電壓不能突變，VQ3b極為高電平，VQ3不導(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來越高，VQ3b極電位越來越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時(shí)VQ3導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，C2通過VQ5ce結(jié)、電源、VQ3eb結(jié)(由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，VQ3e極直接電源正極)放電。當(dāng)放完電后VQ3截止，VQ5截止，電源再次向C2充電，之后VQ3導(dǎo)通，VQ5導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過程中，VQ5導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)L1和VQ5ce結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲(chǔ)能，VQ5截止時(shí)L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)白天充電不夠時(shí)(如遇上陰雨天等)，BT2可能發(fā)生過放電，這樣會(huì)損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過放保護(hù)：當(dāng)電池電壓降至2V時(shí)，由于R5的分壓使VQ4基極電位不足以使VQ4導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會(huì)影響VQ4的導(dǎo)通深度。我們可以選用高口值的晶體管來降低這種影響，這是一個(gè)折衷的辦法。元器件選擇：BT1選用3.8V／80mA太陽(yáng)能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節(jié)1.2V／600mANi-Cd電池，如需要增大發(fā)光度或延長(zhǎng)時(shí)間，可相應(yīng)提高太陽(yáng)能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的β在200左右，VQ4需β值大的晶體管。VD1盡量選管壓低的，如鍺管或肖特基二極管。LED可選用白、藍(lán)、綠色超高亮度散光或聚光。當(dāng)選用紅黃橙等低壓降LED時(shí)，電路需重新設(shè)定。R3、R5建議選用1%精度電阻；R4用亮阻10kΩ～20kΩ，暗阻1MΩ以上的光敏電阻。其他電阻可選用普通碳膜(1／4)W、(1／8)W電阻。L1用(1／4)W