光电子电路-9光电池

1、光伏技术、产业及市场：光伏技术、产业及市场：光伏技术可直接将太阳的光能转换为电能，用此技术制作的光电池使用光伏技术可直接将太阳的光能转换为电能，用此技术制作的光电池使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划，开发捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划，开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性，降低成本，不断扩大产业。方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性，降低成本，不断扩大产业。目前已有目前已有80多个国家和地区形成商业化、半商业化生

2、产能力，年均增长多个国家和地区形成商业化、半商业化生产能力，年均增长达达16，市场开拓从空间转向地面系统应用，甚至用于驱动交通工具。，市场开拓从空间转向地面系统应用，甚至用于驱动交通工具。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池 作屋顶、外墙、窗户等作屋顶、外墙、窗户等建材用）投资规模为建材用）投资规模为600亿美元，而到亿美元，而到2005年还会再翻一倍达年还会再翻一倍达1200亿美亿美元，光伏技术制作的光电池有望成为元，光伏技术制作的光电池有望成为21世纪的新能源。世纪的新能源。 硅光电池的基体材料为一薄片硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅型单晶硅

3、,其厚度在其厚度在0.44mm以下以下,在它的在它的表面上利用热扩散法生成一层表面上利用热扩散法生成一层N型受光层型受光层,基体和受光层的交接处形成基体和受光层的交接处形成PN结结.在在N型层受光层上制作有栅状负电极型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸可以使电池对有效入射光的吸收率达到收率达到90%以上以上,并使硅光电池的短路电流增加并使硅光电池的短路电流增加25%-30%.硅材料为基体的硅光电池硅材料为基体的硅光电池,可以使用单晶硅、多晶硅、

4、非晶硅来制造可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造.单晶单晶硅光电池是目前应用最广的一种硅光电池是目前应用最广的一种,它有它有2CR和和2DR两种类型两种类型,其中其中2CR型硅型硅光电池采用光电池采用N型单晶硅制造型单晶硅制造,2DR型硅光电池则采用型硅光电池则采用P型单晶硅制造型单晶硅制造. （一）硅光电池结构和工作原理（一）硅光电池结构和工作原理工作原理的基础是半导体工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流

5、的一种效应。如图电流的一种效应。如图2，太阳光照在半导体，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴结上，形成新的空穴-电子对，在电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由结电场的作用下，空穴由n区流向区流向p区，电子由区，电子由p区流向区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应电池的工作原理。区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应电池的工作原理。（三）特性参数（三）特性参数开路电压开路电压Voc: 在一定光照下，硅光在一定光照下，硅光电池电池两输出端开路时，所产生的光两输出端开路时，所产生的光电子电子电压。电压。短路电流短路电流ISc: 在一定光照下，在一定光照下，硅光电池硅光电池所接负载

6、所接负载电阻电阻为零时，流过硅为零时，流过硅光电池的电流。光电池的电流。暗电流暗电流ID: 在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所产在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所产生的电流。生的电流。反向阻抗反向阻抗R: 在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所呈在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所呈现的阻抗。现的阻抗。峰值波长峰值波长o: 响应光谱中吸收最大处的波长。响应光谱中吸收最大处的波长。下限波长下限波长1: 响应光谱中吸收力最大吸收的响应光谱中吸收力最大吸收的50%处所对应的下限波长。处所对应的下限波长。上限波长上限波长2: 响应光谱中吸收为最大吸收的

7、响应光谱中吸收为最大吸收的50%处所对应的上限波长。处所对应的上限波长。最大反向电压最大反向电压VRM: 使用硅光电池时所允许加的极限反向电压。使用硅光电池时所允许加的极限反向电压。转换效率转换效率: 硅光电池输出电能与输入光能量的比值硅光电池输出电能与输入光能量的比值,大晶粒多晶硅光电大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达池的转换效率最高达18.6,多晶硅光电池理论计算表明其效率可在多晶硅光电池理论计算表明其效率可在28以以上。上。（二）硅蓝光电池（二）硅蓝光电池宽光谱响应，它特别适用于工作在宽光谱响应，它特别适用于工作在300nm-1000nm光谱范围的各种光光谱范围的各种光学仪器，对紫蓝光有

8、较高的灵敏度、学仪器，对紫蓝光有较高的灵敏度、 器件体积小、性能稳定可靠，电器件体积小、性能稳定可靠，电路设计简单灵活，是光电管和硅光电池的更新换代产品。路设计简单灵活，是光电管和硅光电池的更新换代产品。紫蓝硅光电池紫蓝硅光电池: BPW69-A,BPW34光电池等效电路光电池等效电路 光电池伏安特性曲线光电池伏安特性曲线 ()1dqVIRkTLsIII eIL为光电池等效电路中的恒流源为光电池等效电路中的恒流源Is为光电池等效二极管反向饱和电流为光电池等效二极管反向饱和电流 Rd为光电池等效电路中串联电阻，为光电池等效电路中串联电阻， Rd很小很小 ，则方程改写为：，则方程改写为： (1)q

9、VkTLsIII eLISLssscsLsLocISLqkTIIqkTIIqkTIIqkTVlnlnln) 1ln(电压、电流随入射光强度变化特性电压、电流随入射光强度变化特性 电压、电流与受光面积电压、电流与受光面积A变化特性变化特性 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 （2）输出特性）输出特性光电池两端连接某一负载光电池两端连接某一负载RL,其上的电流设为其上的电流设为IL，电压降为，电压降为VL，则光电，则光电流在流在RL上产生的电功率为：上产生的电功率为： PL = VL IL转换效率转换效率：电功率与入射光功率之间的比值。：电功率与入射光功率之间的比值。

10、ocLscLVVRIIR时，当时当,0RM为功率最大值为功率最大值PM对应的负载电阻值，称为最佳负载。对应的负载电阻值，称为最佳负载。硅光电池：光谱响应范围硅光电池：光谱响应范围 0.4 0.9m 峰值波长峰值波长 0.80.9 m硒光电池：光谱响应范围硒光电池：光谱响应范围 0.340.75 m 峰值波长峰值波长 0.54 m用两个性能相近的硅光电池作光接受器件，当入射光通量相同用两个性能相近的硅光电池作光接受器件，当入射光通量相同时时Vo=0，执行机构按预定的方式工作。当光路系统略有偏差，执行机构按预定的方式工作。当光路系统略有偏差时，两个硅光电池接收到的光通量发生变化，此时时，两个硅光电

11、池接收到的光通量发生变化，此时Vo0，这，这一差动输出信号经过放大即可带动执行机构一差动输出信号经过放大即可带动执行机构(例如微型电机例如微型电机)对对系统状态进行纠正，直到系统状态进行纠正，直到Vo=0为止，从而达到跟踪的目的。为止，从而达到跟踪的目的。 光电跟踪电路光控开关在无光照时，在无光照时，VT截止截止(或有较小的集电极电流，但不足以使继电器吸或有较小的集电极电流，但不足以使继电器吸合合)；当硅光电池受光照射后，产生正向电压使；当硅光电池受光照射后，产生正向电压使VT导通，继电器动作。导通，继电器动作。 路灯照明自动控制电路在白天，硅光电池输出电压使在白天，硅光电池输出电压使VT1导

12、通，导通，VT2截止，继电器不吸合截止，继电器不吸合;天天黑时，硅光电池输出电压渐小，使得黑时，硅光电池输出电压渐小，使得VT1截止，截止，VT2导通，继电器吸导通，继电器吸合，照明灯亮。电路中合，照明灯亮。电路中VT2、 VT3组成施密特触发器，用来避免照明组成施密特触发器，用来避免照明灯产生忽明忽暗的抖动现象。也可在较宽范围内选择点亮照明灯的照灯产生忽明忽暗的抖动现象。也可在较宽范围内选择点亮照明灯的照度度(即天黑到什么程度亮灯即天黑到什么程度亮灯)，电容，电容C1起延时作用起延时作用(约约5s)，以避免闪电，以避免闪电引起瞬间灭灯现象。引起瞬间灭灯现象。草坪灯电路太阳能草坪灯电路。白天有

13、太阳光时，由太阳能草坪灯电路。白天有太阳光时，由BT1把光能转换为电能，由把光能转换为电能，由VD1对对BT2充电，由于有光照，光敏电阻呈低阻，充电，由于有光照，光敏电阻呈低阻，VQ4 b极为低电平而截止。当晚上无光照时光敏电阻呈高阻，极为低电平而截止。当晚上无光照时光敏电阻呈高阻，VQ4导通，导通，VQ2 也导通，由也导通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1组组成的成的DC升压电路工作，升压电路工作，LED得电发光。得电发光。DC升压电路其核心就是一个互补管振荡电路，其工作过程为：升压电路其核心就是一个互补管振荡电路，其工作过程为：VQ2导通时电源导通时电源通过通过L1、R6、VQ4向向C2

14、充电，由于充电，由于C2两端电压不能突变，两端电压不能突变，VQ3 b极为高电平，极为高电平，VQ3不导通，随着不导通，随着C2的充电其压降越来的充电其压降越来越高，越高，VQ3 b极电位越来越低，当低至极电位越来越低，当低至VQ3导通电压时导通电压时VQ3导通，导通，VQ5相继导通，相继导通，C2通过通过VQ5 ce结、电源、结、电源、VQ3 eb结结(由于由于VQ2导通，我们假设其导通，我们假设其ec结短路，结短路，VQ3 e极直接电源正极极直接电源正极)放电。当放完电后放电。当放完电后VQ3截止，截止，VQ5截止，电源再次向截止，电源再次向C2充电，之后充电，之后VQ3导通，导通，VQ5

15、导通，导通，C2放电，如此反复，电路形成振荡，在振荡过程中，放电，如此反复，电路形成振荡，在振荡过程中，VQ5导通时电源经导通时电源经L1和和VQ5 ce结到地，电流经结到地，电流经L1储能，储能，VQ5截止时截止时L1产生感应电动势，和电源叠加后驱动产生感应电动势，和电源叠加后驱动LED，LED发光。本可以提高电池电压直接发光。本可以提高电池电压直接驱动驱动LED，以提高效率，但电池电压提高，相应的太阳能电池价格也大幅提高，只要电路元件设置合适，其效率还是可，以提高效率，但电池电压提高，相应的太阳能电池价格也大幅提高，只要电路元件设置合适，其效率还是可以接受的。当白天充电不够时以接受的。当白

16、天充电不够时(如遇上阴雨天等如遇上阴雨天等)，BT2可能发生过放电，这样会损坏电池，为此特加可能发生过放电，这样会损坏电池，为此特加R5构成过放保护：构成过放保护：当电池电压降至当电池电压降至2V时，由于时，由于R5的分压使的分压使VQ4基极电位不足以使基极电位不足以使VQ4导通，从而保护电池。增加导通，从而保护电池。增加R5会影响会影响VQ4的导通深的导通深度。我们可以选用高口值的晶体管来降低这种影响，这是一个折衷的办法。度。我们可以选用高口值的晶体管来降低这种影响，这是一个折衷的办法。元器件元器件选择：选择：BT1选用选用3.8V80mA太阳能电池板，单晶硅为好，多晶硅次之；太阳能电池板，单晶硅为好，多晶硅次之；BT2选用两节选用两节1.2V600mA Ni-Cd电池，电池，如需要增大发光度或延长时间，可相应提高太阳能板及电池功率。如需要增大发光度或延长时间，可相应提高太阳能板及电池功率。VQ2、VQ3、VQ5的的在在200左右，左右，VQ4需需值大的晶值大的晶体管。体