第3章第13节光电池新

1、 PNPN结受到光照时，可在结受到光照时，可在PNPN结的两端产生光生电势结的两端产生光生电势差，这种现象则称为光伏效应差，这种现象则称为光伏效应 利用半导体利用半导体PNPN结光伏效应制成的器件称为光伏器结光伏效应制成的器件称为光伏器件，简称件，简称PVPV（PhotovoltaicPhotovoltaic），也称结型光电器），也称结型光电器件件 这类器件品种很多，其中包括各种这类器件品种很多，其中包括各种光电池光电池、 光电光电二极管二极管、 光电晶体管光电晶体管、光电场效应管、光电场效应管、PINPIN管管、 雪崩光电二极管、光可控硅、雪崩光电二极管、光可控硅、 阵列式光电器件、阵列式光

2、电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（象限式光电器件、位置敏感探测器（PSDPSD）、）、光电光电耦合器件耦合器件等。等。四象限器件线阵器件单元器件 光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏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。压就能将光能转化成电能的光电器件。 一原理与结构一原理与结构 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的一种器件。它的基本结构就是一个P-N结。结。 光电池是在光电池是在n（p）型硅基底上扩散）型硅基底上扩散p（n）型杂质并作）型杂质并作为受光面

3、，构成为受光面，构成p-n结后，再经过各种工艺处理，分别在基结后，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）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。，即成光电池。np二氧化硅二氧化硅电极电极光电池的符号以及内部结构等光电池的符号以及内部结构等效电路如图所示效电路如图所示从以上结构图可知从以上结构图可知,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用下才形成光生电动势和光电流,由于内电场

4、是由掺杂的由于内电场是由掺杂的P区区和和n区自由扩散形成的，故内建电场的强度是非常有限的，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。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。光电池的输出也受外接负载电阻大小的影响，如图所示。当RL0时，U0，则 IIS 即输出电流与入射光通量成线性关系。当RL0时，U0，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I几乎全部

5、流向二极管，即 IID .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。 光电池核心部分是一个光电池核心部分是一个PN结，一般作结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。射光。 为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或或MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀的保护作用。的保护作用。 受光面上的电极称为受光面上的电极称为前极或上电极前极或上电极，为了减少遮光，上电极，为了减少遮光，上电

6、极做成梳齿状或做成梳齿状或“E”字型电极字型电极 2DR型：以型：以p型硅做基底，型硅做基底，n型薄层受光面型薄层受光面 2CR型：以型：以n型硅做基底，型硅做基底，p型硅做受光面型硅做受光面光敏面光敏面有硅、硒、硫化镉、砷化镓光电池等。有硅、硒、硫化镉、砷化镓光电池等。光电池按材料分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结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系系列和列和2DR系列两种。系列两种。光电池按结构分光电池按结构分按用途分：按用途分：太阳能电池：太阳能电池： 测量用光电池：测量

7、用光电池： 分类：分类：主要功能是作为光电探测用，光主要功能是作为光电探测用，光照特性的线性度好照特性的线性度好主要用作电源，转换效率高、主要用作电源，转换效率高、成本低成本低(Solar Cells) 短路电流曲线：短路电流与光照度成线性关系短路电流曲线：短路电流与光照度成线性关系 开路电压曲线：开路电压曲线：开路电压与光照度成对数关系开路电压与光照度成对数关系 ，当照度为，当照度为2000lx时趋向饱和。时趋向饱和。E/klx E/klx5432100 .10.20.30.40.5246810开路电压开路电压Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIs

8、c/mAIsc/mA(a) 硅光电池硅光电池(b)硒光电池硒光电池开路电压开路电压短路电流短路电流短路电流短路电流2.2.特性特性1)光照特性光照特性 2)2)接有负载电阻接有负载电阻R RL L的的硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。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 50 10010005000RL=0因此在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载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，并限制在强光电阻在条件允许的情况下越小越好，并限制在强光下使用。下使用。3)3)光谱特性光谱特性硅光电池的光

9、谱特性硅光电池的光谱特性 0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅硅光电池硅光电池 响应波长响应波长0.4-1.10.4-1.1微米，微米， 峰值波长峰值波长0.8-0.90.8-0.9微米。微米。硒光电池硒光电池 响应波长响应波长0.34-0.750.34-0.75微米，微米， 峰值波长峰值波长0.540.54微米。微米。4) 4) 温度特性温度特性硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性 开路电压下降大约开路电压下降大约2 2 3mV/3mV/度度短路电流上升大约短路电流上升大约1010-5-5 1010-3-3mA/mA/度度光电池做探测器光电池做

10、探测器件时，测量仪器件时，测量仪器最好能保持温度最好能保持温度恒定，或采取温恒定，或采取温度补偿措施。度补偿措施。5)伏安特性伏安特性图为在不同的光照之下光图为在不同的光照之下光电池的伏安特性。图中还电池的伏安特性。图中还画出了三条负载线。画出了三条负载线。负载短接或很小时，负负载短接或很小时，负载线与伏安特性的交点载线与伏安特性的交点为等距离，电流正比于为等距离，电流正比于照度，数值也较大。负照度，数值也较大。负载电阻较大时，负载线载电阻较大时，负载线与伏安特性的交点相互与伏安特性的交点相互间距不等，即电流不与间距不等，即电流不与照度成正比，光照特性照度成正比，光照特性不是直线，电流也减小不

11、是直线，电流也减小。1500 3000 4500 6000 7500020406080100f / Hz相对光电流 / (%)硒光电池硅光电池6)频率特性频率特性在调制频率较高的场合，应采用硅光电池。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，必须选用小的要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻负载电阻RL； 光电池面积越大则响应时间越大，因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为光电池面积越大则结电容Cj越大，越大，在给定负载时，时间常数就越大，故在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。光电池。

12、注意事项：注意事项：硅光电池在强辐射下是稳定的，对于硒光电池，在强光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。或表面的硒被氧化所造成的。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。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

13、靠性好因此，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。以及寿命长等等。 三三.电路电路光电池用作太阳能电池时的电路如图3.1.35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太阳能电池光电池用作检测元件使光电池用作检测元件使用时的电路如图用时的电路如图3.1.36所示，此电路可实现所示，此电路可实现光电池的线性输出。对光电池的线性输出。对光电池而言，光电池而言，RL近似等近似等于于0。图中，。图中， Vo=2RfI2RfS。2光电池用作检测元件光电池用作检测元件1 1、光电转换部位不同、光电转换部位不同 2 2、光敏电阻

14、需外加电压，没有极性，无正向、光敏电阻需外加电压，没有极性，无正向、反向偏置之分；而结型器件因反向偏置之分；而结型器件因p-np-n结的存在，结的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且无外加电压，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。也可工作，也能实现光电转换。 3 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产生生复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。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，响应速度的漂移运动，弛豫过程时间常数

15、小，响应速度快。快。与光敏电阻的比较与光敏电阻的比较1)1)、光电池用作太阳能电池、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。等无输电线路地区的电源供给。2)2)、光电池用作检测元件、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利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变化，适用

16、于开关和线性测量等。化，适用于开关和线性测量等。 太阳能特点：太阳能特点： 无枯竭危险；无枯竭危险；绝对干净；绝对干净；不受资源分布地不受资源分布地域的限制；域的限制；可在用电处就近发电；可在用电处就近发电；能源质量能源质量高；高；使用者从感情上容易接受；使用者从感情上容易接受；获取能源花获取能源花费的时间短。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。阳能发电同现在的电网联网。1、光生电流的光学损失、光生电流的光学损失 1）反射损

17、失：超过）反射损失：超过30%的光能被裸露硅表面反射掉的光能被裸露硅表面反射掉 2）栅电极遮光损失：）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）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。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、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；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、太阳电池的光谱响应4、影响开路电压、影响开路电压Voc的实际因素：半导体的复合率越高，的实际因素：半导体的复合率越高，少子扩

18、散长度越短，少子扩散长度越短， Voc越低越低;5、串联电阻和旁路电阻引起效率下降、串联电阻和旁路电阻引起效率下降6、温度效应、温度效应 影响太阳能电池效率的一些因素影响太阳能电池效率的一些因素1、最佳禁带宽度的选择、最佳禁带宽度的选择2、抗反射膜、抗反射膜3、接触面积、接触面积4、接触电阻、接触电阻5、收集电阻、收集电阻6、太阳电池的光吸收、太阳电池的光吸收7、载流子收集、载流子收集8、表面复合、表面复合9、背接触与背场效应、背接触与背场效应提高太阳能电池转换效率的途径提高太阳能电池转换效率的途径 无机太阳能电池无机太阳能电池半导体硅半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等）单晶、多晶、非晶、

19、复合型等）化合物半导体（化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）等） 有机太阳能电池有机太阳能电池有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等）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（光化学太阳能电池（纳米纳米TiOTiO2 2等）等）按照所用材料的不同按照所用材料的不同：太阳能电池的分类太阳能电池的分类无机太阳能电池的性能及应用无机太阳能电池的性能及应用1. 1. 硅系太阳能电池硅系太阳能电池1)1) 单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 优点：转化率高优点：转化率高 (24.4%)(24.4%) ，技术最为成熟，技术最为成熟 缺点：成本高，基底厚度达缺点：

20、成本高，基底厚度达350-450350-450m m。 提高转化率的途径：单晶硅表面微结构处理和分区提高转化率的途径：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德国费莱堡太阳能系统研究所保持至世界领先水平3) 3) 非晶硅薄膜太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池 优点：成本低优点：成本低 缺点：转化率低缺点：转化率低 (13%)(13%) 制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法相外延法和溅射沉积法 解决方法：制造叠层太阳能电池解决方法：制造叠层太阳能电池2) 2) 多晶硅薄膜太阳能电池多晶硅薄膜太

21、阳能电池 优点：成本低，转化率不衰退优点：成本低，转化率不衰退 (18%)(18%) 制备方法：多采用化学气相沉积法，还有制备方法：多采用化学气相沉积法，还有液相外延法和溅射沉积法液相外延法和溅射沉积法2. 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池 主要包括：主要包括：砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池砷化镓、硫化镉、碲化镉及铜铟硒薄膜电池 硫化镉硫化镉(CdS) 、碲化镉、碲化镉(CdSe) ：镉有剧毒，不理想镉有剧毒，不理想 砷化镓砷化镓(GaAs)：高转化率高转化率 (37.4%)，成本高。，成本高。 能隙能隙1.42eV，光谱响应可见和紫外，温度特性好光谱响应可见和紫外，温

22、度特性好，已开，已开始用于空间太电池始用于空间太电池 铜铟硒铜铟硒(CuInSe2) ： 优点：优点：转化率高转化率高 (17%)，价格低廉，性能良好，工艺简单，价格低廉，性能良好，工艺简单 缺点：缺点：铟和硒都是稀有元素，发展受限铟和硒都是稀有元素，发展受限4. 纳米晶化学太阳能电池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发态不稳定，电子快速注入到紧邻的TiOTiO2 2的导带，染的导带，染料分子中失去的电子很快从电解质中的导补偿，进入料分子中失去的电子很快从电解质中的导补偿，进入 Ti

23、O2TiO2导带中的电子最终进入导电膜，然后通过外回路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。产生光电流。 优点：成本低廉，转化率已稳定在优点：成本低廉，转化率已稳定在10%10%以上，寿命达以上，寿命达15152020年。年。3. 有机太阳能电池有机太阳能电池 工作原理：工作原理：有机半导体产生的电子和空有机半导体产生的电子和空穴束缚在激子之中穴束缚在激子之中,电子和空穴在界面电子和空穴在界面(电电极和导电聚合物的结合处极和导电聚合物的结合处)上分离。上分离。 优点：价格低、易成形、可通过化学修优点：价格低、易成形、可通过化学修饰调控性能饰调控性能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，效率为能电池，效率为4%，于，于1958年应用到美国的先锋年应用到美国的先锋1号人号人造卫星上。造卫星上。 太阳能电池的应用太阳能电池的应用我国我国1958年开始进行太阳能电池的研制工作，并于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。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硅光电池组成的光控闪光装置