2光生伏特器件

1、3.2 光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件光生伏特器件：利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。：利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。 也称结型光电器件也称结型光电器件光生伏特器件光生伏特器件光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管发光器件发光器件光电耦合器件光电耦合器件光电位置敏感器件光电位置敏感器件 光电池光电池：利用光生伏特效应把光能：利用光生伏特效应把光能 直接转变成电能的器件，直接转变成电能的器件， 又称为太阳能电池。又称为太阳能电池。 光电转换效率低光电转换效率低(0.02)、寿命短，适、寿命短，适 于接收可见光，适宜制造照度计。于接收可见光，适宜制造照度计。价格便宜，转

2、换效率高，寿命长，价格便宜，转换效率高，寿命长， 适于接受红外光。适于接受红外光。应用最广、最有发展前途应用最广、最有发展前途转换效率比硅光电池稍高，光谱响应转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合。特性与太阳光谱最吻合。 工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射3.2.1 光电池光电池锗光电池锗光电池光电池光电池（无机）（无机）硒光电池：硒光电池：硅光电池：硅光电池：砷化镓光电池：砷化镓光电池：1. 1. 光电池的基本结构和工作原理光电池的基本结构和工作原理 光电池符号光电池符号工作原理图工作原理图结构示意图结构示意图输出电极外形输出电极外形(1)(1)伏

3、安特性伏安特性：输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线：输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线O无光照无光照有光照有光照ISCVOCVI曲线与电压轴交点称为曲线与电压轴交点称为开路电压开路电压VOC，与电流轴交点称，与电流轴交点称为为短路电流短路电流ISC。 无光照时，光电池伏安特无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相性曲线与普通半导体二极管相同。同。 有光照时，沿电流轴方向有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正平移，平移幅度与光照度成正比。比。2. 光电池的特性参数光电池的特性参数以硅光电池为例，有光照和无光照时的伏安特性曲线：以硅光电池为例，有光照和无光照时的伏安特性曲

4、线： 开路电压开路电压VOC 光电池的外回路断开时或电流为零时，器件光电池的外回路断开时或电流为零时，器件 上施加电压的大小。上施加电压的大小。 数值最大的光生电动势数值最大的光生电动势 短路电流短路电流ISC光电池上施加电压为零时电池外回路上的电流。光电池上施加电压为零时电池外回路上的电流。 最大数值的光生电流最大数值的光生电流OISCVOCVIIdIRLILRdVD光电池等效电路光电池等效电路 1expdSLIRVkTqIII输出输出电压电压等效二极管反等效二极管反向饱和电流向饱和电流等效电阻等效电阻Rd很小，可忽略：很小，可忽略： 1expkTqVIIISL光电流：光电流：ILSIL L

5、入射光照度（入射光照度（lx) SI光电灵敏度（光电灵敏度（mA/lx)当当I=0，得到开路电压，得到开路电压: 1lnSLOCIIqkTV当当V=0 ，得到短路电流，得到短路电流:SLIILSC LISC SLIISSSCSLOCISLqkTIIqkTIIqkTVlnlnln LVOCln 1expkTqVIIISLVOC、ISC随入射光照度变化特性随入射光照度变化特性:开路电压输出：非线性，灵敏度高开路电压输出：非线性，灵敏度高 开关测量开关测量短路电流输出：线性好，灵敏度低短路电流输出：线性好，灵敏度低 线性检测线性检测L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810开

6、路电压开路电压Voc /VIsc/mA短路电流短路电流硅光电池硅光电池VOC、ISC随随入射光照度变化特性入射光照度变化特性1041010210310-210-1100101102103100101102103E/lxJ/Amm-2光电池在不同负载电阻下的光电特性光电池在不同负载电阻下的光电特性受光面积的影响受光面积的影响VOC、ISC随受光面积变化特性随受光面积变化特性A/(mm2) 500400300200100020406080100100200300VocISC/mAVoc /mVISC600120AISC AVOCln (2)光电池的负载特性（输出特性）光电池的负载特性（输出特性）设

7、负载为设负载为RL，流过电流为，流过电流为IL，电压降为，电压降为UL，则负载上电功率：，则负载上电功率： PL UL IL当当RL=0（短路）时，（短路）时，UL=0， IL=ISC ，PL=0；当当RL=（开路）时，（开路）时， UL=VOC， IL=0，PL=0；0RL时，时，PL0。ISC/mA02004002004004080100VOC/VULPLILRMRL/当当RL=RM时，最大输出功率时，最大输出功率PL=Pmax RM最佳负载最佳负载 光电转换效率光电转换效率：光电池的输出功率与入射光功率之比定义为光电：光电池的输出功率与入射光功率之比定义为光电 池的光电转换效率（或量子效

8、率），记为池的光电转换效率（或量子效率），记为 填充因子：光电池能提供的最大填充因子：光电池能提供的最大功率与功率与ISCVOC 之比，它说明了该之比，它说明了该光电池能够对外提供的最大输出光电池能够对外提供的最大输出功率的能力。功率的能力。OCSCVIPFFmax 光电池的温度特性是指开路电压光电池的温度特性是指开路电压VOC和短路电流和短路电流ISC随温度变随温度变化的关系。化的关系。20040801203040VOC/ mVt / CISCVOCISC / mA6004002001050光电池的温度特性光电池的温度特性T ： VOC ，ISC 光电池的光谱响应向长波光电池的光谱响应向长波

9、方向移动方向移动用于探测器件时，测量仪用于探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移而进器应考虑温度的漂移而进行补偿。行补偿。(3) 温度特性温度特性光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。 由于光电池由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。(4) 频率特性频率特性3. 光电池的应用光电池的应用将太阳能转化为电能将太阳能转化为电能 硅光电池：实际应用中，经串联、并联组成电池组硅光电池：实际应用中，经串联、并联组成电池组单晶硅太阳能电池：实验室最高转换效率为单晶硅太阳能电池：实验室

10、最高转换效率为23%,工业规工业规 模生产转换效率为模生产转换效率为15%多晶硅太阳能电池：价格低廉多晶硅太阳能电池：价格低廉,但是它存在着较多的晶粒但是它存在着较多的晶粒 间界。实验室最高转换效率为间界。实验室最高转换效率为18%, 工业规模生产转换效率为工业规模生产转换效率为10%。非晶硅太阳能电池：可见光吸收系数大、沉积温度低、非晶硅太阳能电池：可见光吸收系数大、沉积温度低、 成本低廉、能够实现大面积沉积，成本低廉、能够实现大面积沉积， 但稳定性较差。但稳定性较差。光电探测器件光电探测器件 特点：光敏面积大，频率响应高，光电流随光照度线性变化特点：光敏面积大，频率响应高，光电流随光照度线

11、性变化 光电读数、光电开关、光栅测量光电读数、光电开关、光栅测量单晶硅单晶硅多晶硅多晶硅非晶硅非晶硅不同硅光电池表面形态不同硅光电池表面形态有机光电池有机光电池Konarka公司制造的柔性太阳电池公司制造的柔性太阳电池2000 Nobel Laureate in Chemistry“for the discovery of conductive polymers” 2007年年7月，月，Heeger研究小组又在研究小组又在SCIENCE上报道了以上报道了以PCPDTBT/PCBM体系和体系和P3HT/PC70BM体系制备得到的串联聚体系制备得到的串联聚合物固体薄膜太阳电池的能量转换效率超过了合

12、物固体薄膜太阳电池的能量转换效率超过了6 % Kim, J. Y.; Lee, K.; Coates, N. E.; Moses, D.; Nguyen, T. Q.; Dante, M.; Heeger, A. J., Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science 2007, 317, (5835), 222-225. 1.1.光电二极管光电二极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。结。 不同的是：不同的是： 光电

13、二极管电阻率（光电二极管电阻率（10001000/cm/cm）比光电池电阻（）比光电池电阻（0.10.1 0.01 0.01/cm/cm）高；）高； 光电池在零偏置下工作，光电二极管在反向偏置下工作；光电池在零偏置下工作，光电二极管在反向偏置下工作； 光电二极管结面积小，因此频率特性特别好；光电二极管结面积小，因此频率特性特别好； 光电二极管光电二极管光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光 电池小，一电池小，一 般为几般为几A到几十到几十A。3.2.2 光电二极管与光电三极管光电二极管与光电三极管分类：分类：按材料分，有硅、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管

14、等。按材料分，有硅、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管等。按结构分，有按结构分，有PN结、结、PIN结、异质结、肖特基势垒之分。结、异质结、肖特基势垒之分。基本结构基本结构 光电二极管可分为以光电二极管可分为以P型硅为衬底的型硅为衬底的2DU型与以型与以N型硅为衬底的型硅为衬底的2CU型两种结构形式。型两种结构形式。 2DU型光电二极管的原理结构图型光电二极管的原理结构图光电二极管的电路符号光电二极管的电路符号小箭头：正向电流的方向小箭头：正向电流的方向前极为光照面，后极为背光面前极为光照面，后极为背光面(1)光电二极管的基本结构和工作原理光电二极管的基本结构和工作原理光电二极管的工作原理图光电二极

15、管的工作原理图工作原理工作原理 有光照时：有光照时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使空穴对，从而使P区和区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层区的少数载流子渡越阻挡层进入进入N区，区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。 无光照，反向偏压：内建电场被无光照，反向偏压：内建电

16、场被加强，加强，PN结空间电荷区变宽，势垒增结空间电荷区变宽，势垒增大，只有少数载流子在反向偏压的作大，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流流暗电流暗电流 光电二极管的光电流光电二极管的光电流 IL 与照度之间呈线性关系，适合检测等与照度之间呈线性关系，适合检测等方面的应用。方面的应用。0200102030402CUAE/lxIL/uA400 600 800 10002CU2A2CU5(2)(2)光电二极管的光电二极管的伏安特性与电流方程伏安特性与电流方程伏安特性伏安特性光电二极管伏安特性光电二极管伏安特性重新定义：电流与电压均以重新定

17、义：电流与电压均以PN结内建电场的方向为正向结内建电场的方向为正向 较高反偏压：较高反偏压：增加了耗尽层的宽度和加强内建电场，电子增加了耗尽层的宽度和加强内建电场，电子-空穴在耗尽层复空穴在耗尽层复 合机会少，提高光敏二极管的灵敏度；合机会少，提高光敏二极管的灵敏度；增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频率响应特性增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频率响应特性光生载流子的收集接近极限，光电流饱和，可视为恒流源；光生载流子的收集接近极限，光电流饱和，可视为恒流源；但是不能无限地加大反向偏压，以免引起击穿。但是不能无限地加大反向偏压，以免引起击穿。光电二极管的电流方程光电二极管的电流

18、方程 在无辐射作用的情况下（暗室中），在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、结硅光电二极管的正、反向特性与普通反向特性与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为结二极管的特性一样，其电流方程为 ： 1expkTqUIId当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为 式中式中为光电材料的光电转换效率，为光电材料的光电转换效率，为材料对光的吸收系数。为材料对光的吸收系数。 )exp(1)exp(1ekTqUIdhcqId (3)(3)光谱特性光谱特性光电二极管的光电二极管的光谱响应：光谱响应：以等功率的不同单色辐射波

19、长的光作用以等功率的不同单色辐射波长的光作用 于光电二极管时，其响应程度或电流灵于光电二极管时，其响应程度或电流灵 敏度与波长的关系。敏度与波长的关系。 0.850.651.050.20.61.02DUL2DU/m相对响应相对响应2DU和和2DUL系列光电二极管的光谱响应系列光电二极管的光谱响应 典型硅光电二极管光谱响应长波限为典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1m左右，短波限接近左右，短波限接近0.4m，峰，峰值响应波长为值响应波长为0.9m左右。左右。 (4)(4)温度特性温度特性 由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光电二极管的暗由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光电二极管的暗电流对

20、温度的变化非常敏感，实际应用时考虑温度的影响。电流对温度的变化非常敏感，实际应用时考虑温度的影响。0.01305070900.052CU 1A-130.52CU5ID/uAT/C2.光电三极管光电三极管 光电三极管的两种光电三极管的两种基本结构基本结构： 用用N型硅材料为衬底制作的型硅材料为衬底制作的NPN结构，称为结构，称为 3DU型；型； 用用P型硅材料为衬底制作的型硅材料为衬底制作的PNP结构，称为结构，称为3CU型。型。(1)(1)光电三极管的工作原理光电三极管的工作原理NPN型光电三极管的原理结构图型光电三极管的原理结构图 电路符号：电路符号：ce光电三极管的工作原理分为两个过程：光

21、电三极管的工作原理分为两个过程： 一是光电转换，起光电二极管的作用；一是光电转换，起光电二极管的作用； 二是光电流放大，起三极管放大作用。二是光电流放大，起三极管放大作用。等效于一个光电二极管与一般等效于一个光电二极管与一般三极管基极三极管基极-集电极的并联。集电极的并联。)1(pppcIIII 光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但由于电流放大倍数但由于电流放大倍数 的非线性，其线性较差，在大照度时，光的非线性，其线性较差，在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元

22、件使用。 为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管、光为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管、光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。集成光电器件集成光电器件 ：光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线 与光电二极管伏安特性曲线对比，有：与光电二极管伏安特性曲线对比，有：光电流：光电三极管在光电流：光电三极管在mA量级，光电二极管在量级，光电二极管在A量级量级零偏压：光电三极管没有输出，光电二极管仍有光电流输出零偏压：光电三极管没有输出，光电二极管仍有光电流输出非线性：工作电压较低时

23、，光电三极管的非线性较严重非线性：工作电压较低时，光电三极管的非线性较严重 （饱和区）（饱和区）曲线偏斜：光电三极管曲线向上偏斜，间距增大曲线偏斜：光电三极管曲线向上偏斜，间距增大随光随光 流增大流增大(2) 伏安特性伏安特性二极管二极管光电三极管的频率特性与光电三极管的频率特性与PN结的结构及偏置电路等参数有关结的结构及偏置电路等参数有关(3) 频率特性频率特性光电三极管输出电路的微变等效电路：光电三极管输出电路的微变等效电路：电流源电流源Ip基基-射结电电阻射结电电阻rbe电容电容Cbe基基-集结电容集结电容Cbc光电二极管光电二极管等效电路等效电路电流源电流源Ic基射结电阻基射结电阻Rc

24、e电容电容Cce负载电阻负载电阻RL 光电三极管光电三极管等效电路等效电路光电三极管的时间响应由以下四部分组成：光电三极管的时间响应由以下四部分组成： 光生载流子对发射结电容光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容和集电结电容Cbc的充放电时间；的充放电时间； 光生载流子渡越基区所需要的时间；光生载流子渡越基区所需要的时间； 光生载流子被收集到集电极的时间；光生载流子被收集到集电极的时间； 输出电路的等效负载电阻输出电路的等效负载电阻RL与等效电容与等效电容Cce所构成的所构成的RC时间；时间； 总时间常数为上述四项和。总时间常数为上述四项和。故光电三极管的响应时间比光电二极管长的多。故光电三极管的响应时间比光电