光伏探测器PPT演示课件

I (%)
I (%) Si蓝 Si
Se
Si
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
2000 4000 6000 8000 10000 12000

2000 4000 6000 8000 10000 12000

光电池的光谱响应特性曲线
硅蓝光电池的光谱响应曲线
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（4）频率特性
当光照射光电池时，由于载流子在结区内扩 散、漂移都要有一个时间过程，所以产生的 光电流有滞后于光照变化的现象。
加的很小。如
Ip

ID ，则
U oc

kT ln( I p ) e I0
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一般而言， 约为0.45~ 0.6V, 电流密度约 为150 ~300A/m2。在实际工作中，两者是通过测 量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路， 用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，
测出 ，用低电阻电流表短接，其示值为 。
PN结的零偏状态
光照零偏p-n结产生光
生载流子，少子在内 电场的作用下，电子 向N区漂移、使在N区 的边界呈负极性，空 穴向P区漂移，使在P 区的边界呈正极性， 此时产生开路电压， 短路光电流。此为光
电池的工作原理。
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PN结反偏状态
光照反偏条件：当 入射光波照射于反 偏置PN结时，产生 光生载流子，少子 在增强的内电场的 作用下，形成了大 于反向饱和电流的 光电流。此为光电 二极管的工作原理。
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1、光电池的结构原理
扩散
光照
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。但光电池的光电效率非常低，最 高也只能是百分之十几。
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国产同质结硅光电池按照基底材料的不 同，分为2DR与2CR型。
防反射膜
+
(SiO2)
P
N
SiO2
-
pn结
p
n
RL
+
-
在地面上用作光电探测器的多为P+N型，即国产2CR型。
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（2）光照特性
光电池的光照特性是指光生电动势、 光电流与照度之间的关系。
Isc (mA / cm2 )
U oc 5
U oc (V ) 0.4
4 0.3
3
I sc
0.2
2
1
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
E(Lx)
I (mA)
10
100 101 102 103 104
§3.4 半导体光伏型检测器件
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一、光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均 匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而 产生电位差的现象。这种现象称为光生伏 特效应。
如果光电导现象是半导体材料的体效应， 那么光伏现象则是半导体材料的“结”效 应。
2
1、PN结的光生伏特效应
3
2、PN结的工作状态
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硅光电池的用途大致可分为两类: (1)当作光电探测器件使用；(2)用作电源。
作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射探测 器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开 关以及电影还声等。这类应用要求光电池照度 特性的线性度好。
作为电源，广泛用作太阳能电池，作为人造卫 星、野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的 电源使用。此类应用要求价廉，输出功率大。
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3、常见的光伏探测器
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光 伏器件，也称结型光电器件。
这类器件品种很多，其中包括各种 光电池、 光电二极管、 光电晶体管、 光电场效应管、PIN管、雪崩光电二极管、 象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD） 光电耦合器件等。
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二、光电池
光电池是根据光生伏特效应制成的直接把光能转变 成电能的光电器件故称为光生伏特电池，简称光电 池。光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积 大的薄片状，来接收更多的入射光。
I(%)
光电池的频率响应曲线
100
1K
ห้องสมุดไป่ตู้
80
60
40
100K 10K
20
f (Hz)
102
103
104
硅光电池频率特性与负载关系曲线
在交变光照射下，光电池的响应时间R=CRL ，而 结电容C与器件面积成正比，故要 f 较好，需选用小面 积光电池。
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（5）温度特性
光电池的温度特性曲线是描述开路电压与短路电流随温 度变化的情况 。当光电池接受强光照射时必须考虑工作 温度。如硒光电池超过50C或硅光电池超过200C时， 它们会因晶格被破坏而导致器件的破坏。
N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用， 作为航天的太阳能电池，即国产2DR。
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2、光电池的特性参数
（1）伏安特性（输出特性）
PN结作光电池使用时，在有光照 条件下，光电流与输出电压的关系。
等效电路
光电池等效为一个普通晶体二极管 和一个恒流源（光电流源）的并联。
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符号
连接电路
其中：
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qU
I S E I s (e kT 1)
当 U 0 时 Isc I p S E
光电池短路时，短路电流等于光电流， 与入射光照呈线性关系。
当
I 0时
U oc

kT e
ln( I p I0
1)
光电池开路时，开路电压与光照之间
成对数关系，它随光照度的增加而增
按用途分为： 太阳能光电池：直接将太阳能转换成电能 测量光电池 ：将光信号转换成电信号
按材料分为： 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池 锗光电池 硫 化镉光电池
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目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。 硅光电池：价格便宜，光电转换效率高，光谱响 应范围宽，寿命长 ，稳定性好，频率特性好，耐 高温。 硒光电池：价格便宜，它的光谱响应曲线和人眼 的光谱光视效率曲线形状很相似，因此用在与人 眼视觉有关的测试中。
2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。 3、RL越小， I线性度越好，线性范围越宽。
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光电池的伏安特性决定负载电阻的选取
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（3）光谱特性
光电池的光谱特性主要取决于所用的材料与
制作工艺（如结的深浅），也与使用温度有 关。 硅光电池光谱响应范围0.4-1.1，峰值波 长0.8-0.9，硒光电池光谱响应范围0.34-0.75， 峰值波长0.54。
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10 100
1000
E(Lx) 100 101 102 103 104
硅光电池光照特性
硅光电池光照特性与负载电阻关系
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光电池光照特性：
负载RL上的输出电功 率与入射光功率之比：
PL U LS LLS
PP
1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.450.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大 15.5-20%。