光电池的原理及应用

硅光电池的原理及应用

1.引言

随着科技日新月异地发展，光电池在人们的生产生活中产生了越来越重要的作用。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能也称为太阳能电池[1-2]。

太阳能电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源，又可以作为光电检测器件。作为电源使用的光电池，主要是直接把太阳的辐射能转换为电能，称为太阳电池[3-5]。太阳电池不需要燃料，没有运动部件，也不排放气体，具有重量轻，工作性能稳定，光电转换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，在航天技术、气象观测、工农业生产乃至人们的日常生活等方面都得到了广泛的应用。作为光电检测器件使用的光电池，具有反应速度快，工作时不需要外加偏压等特点，用于近红外探测器、光电藕合器以及光电开关等。光电池的制作材料有许多种，例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓等，其中最常用的是硅光电池[6-7]。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势是发电式有源元件。

太阳能电池的利用和特性的研究是21世纪的热门课题，许多国家正投入大量人力物力对太阳能电池进行研究硅光电池是根据光伏效应制成的太阳能电池，应用范围较广。本文以硅光电池为例来进行研究。

2.光电池的工作原理

2.1光电池结构

光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光学元件，它的工作原理是光生伏特效应。简称光伏效应。(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，并在空间分开而产生电位差的现象。即将光能转化成电能)在有光线作用时PN结就相当于一个电压源。

光

N I1P

-I2+

R

如图所示，硅光电池在无外加电压时，光照引起的载流子迁移会在其两端产生光生电动势，即光伏效应硅。光电池的基本结构为PN结，受光照后，将产生一个由N区到P区的光生电流I1同时，由于PN结二极管的特性，存在正向二极管电流I2，此电流方向从P区到N区，与光生电流相反。硅光电池的理论模型是由一理想的电流源(光照产生光电流的电流源)、一个理想二极管一个并联电阻和一个串联电阻组成。

2.2物理原理

2.2.1材料

(1)N型光电导体，多子是电子，少子是空穴。主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。

(2)P型光电导体，多子是空穴，少子是电子。主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电，增加了空穴的浓度。

2.2.2光伏效应

(1)PN结存在一个由N指向P的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移作用相抵消，没有电流通过PN结。

(2)当有光照射PN结时，样品对光子的本征和非本征吸收都将产生载流子，但是，由于P区和N区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过PN结，因而只有本征吸收所激发的少数载流子才能引起光伏效应。

(3)当有光照射时，光线足以透过P型半导体入射到PN结。对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子、空穴、以及电子——空穴对。P 区的光生电子和N区的光生空穴以及结合的电子——空穴对扩散到结电场附近时,在内建电场的作用下漂移过结，电子——空穴对被阻挡层的内建电场分开，光生电子和孔穴被分别拉到N区和P区，从而在阻挡层两侧形成电荷的堆积，产生内建电场的光生电场，使得内建电场的势垒降低,降低量等于光生电势差。光生电势差所产生的光生电流方向和结电流的方向相反，而与P—N结反向饱和电流同向。

2.3发电原理

光电池实质是一个大面积PN结,结构如图4所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V～0.6V电压，50mA电流。

2.4光电池的主要参数

2.4.1开路电压

若将接在光电池两端的外电路断开，那么被P一N结分开的所有过剩载流子便

会积累在P一N结附近，并以最大的可能补偿自建电场，产生最大的光生电动势。

2.4.2短路电流

如果把光电池短路，被P一N结分开的过剩载流子便能通过短路电路流通产生最大可能的短路电流。P一N结附近不会有过剩载流子积累，光生电动势为零。

2.4.3工作电压和工作电流

若光电池通过负载电阻接通，被P一N结分开的过剩载流子中一部分把自己的能量消耗于降低自建电场，也就是建立工作电压，另一部分载流子流过负载形成工作电流。

2.4.4最大输出功率

即为光电池接最佳负载时的输出功率。

2.4.5转换效率

为光电池在单位面积上取得的最大功率，与太阳垂直辐射于光电池单位面积上的功率之比，用百分数表示。

2.5光电池的基本特性

2.5.1光谱特性

硅光电池的光谱特性是指用单位辐射通量不同波长的光分别照射硅光电池时，所产生饱和电流的大小。用相对灵敏度表示。

2.5.2光照特性

硅光电池在不同的光强照射下有不同的光生电动势和光电流，在不同的照度下，其内阻是不同的，可用不同大小的外接负载近似的满足“短路”条件。不同的负载可以在不同的照度范围内，使光电流和光强保持线性关系。负载电阻越小，其线性关系越好，线性范围也较大。

2.5.3伏安特性

硅光电池的伏安特性是描述在连接不同的负载时，所输出的电压和电流的关系。在不同照度时，伏安特性是多条相似的曲线。光电流随负载不同在很大范围内正比于入射光强，而电动势趋于饱和。

2.5.4频率特性

硅光电池的频率特性是描述光的频率变化和输出电流的关系。硅光电池有很高的频率响应，因此可以用于高速记数等方面，这是硅光电池在所有光电元件中最突出的特点之一。

2.5.5温度特性

硅光电池随温度的升高，开路电压下降较大，大约温升1摄氏度，电压下降2至3毫伏，短路电流随温度的上升变化较小。

3.光电池的应用