光电池的工作原理.docx
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光电池的工作原理
光电池的工作原理
光电池工作原理
目前，光电池的应用已经越来越广，作为一名华北电力大学的学生，生活在保定已三年，保定的太阳能产业异常发达，在全国也算是数一数二。
保定的太阳能利用非常多，可谓地道的低碳城市。
例如有些十字路口的红绿灯，街边的路灯，以及公交车站都是由太阳能电池作为能源控制的。
在这样的环境下，笔者查阅了相关资料，对光电池的原理进行一些浅述。
首先，先了解一下光电池的定义：
光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。
光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。
主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。
有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。
要想了解光电池的原理，首先要了解一下PN结的相关知识。
人们把半导体材料分为P型半导体和N型半导体。
根据《电工学》介绍，硅原子是一种半导体材料。
在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
如果在硅或者锗的晶体中掺入磷（或者其他五价元素），由于林原子的最外层有五个价电子，而掺入的磷原子较少，整个晶体结构基本上不变，导致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是自由电子成了这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为N型半导体。
同理，如果在硅或者锗的晶体中掺入三价元素，则每个三价元素周围会多出一个空穴，而空穴则成为这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为P型半导体。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，形成P-N结。
其次，光电池原理的另一个重要理论依据是光伏效应原理。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
具体地说，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来
说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形
光电池工作原理
目前，光电池的应用已经越来越广，作为一名华北电力大学的学生，生活在保定已三年，保定的太阳能产业异常发达，在全国也算是数一数二。
保定的太阳能利用非常多，可谓地道的低碳城市。
例如有些十字路口的红绿灯，街边的路灯，以及公交车站都是由太阳能电池作为能源控制的。
在这样的环境下，笔者查阅了相关资料，对光电池的原理进行一些浅述。
首先，先了解一下光电池的定义：
光电池是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。
光电池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银光电池等。
主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。
有的光电池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电池。
要想了解光电池的原理，首先要了解一下PN结的相关知识。
人们把半导体材料分为P型半导体和N型半导体。
根据《电工学》介绍，硅原子是一种半导体材料。
在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子结合。
每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个电子对。
这对价电子是每两个相邻原子共有的，它们把相邻原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。
如果在硅或者锗的晶体中掺入磷（或者其他五价元素），由于林原子的最外层有五个价电子，而掺入的磷原子较少，整个晶体结构基本上不变，导致某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是自由电子成了这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为N型半导体。
同理，如果在硅或者锗的晶体中掺入三价元素，则每个三价元素周围会多出一个空穴，而空穴则成为这种半导体的主要导电方式，我们称这种半导体为P型半导体。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电，形成P-N结。
其次，光电池原理的另一个重要理论依据是光伏效应原理。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
具体地说，如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形
成的电流也越大。
光电池的工作原理正是基于“光生伏特效应”。
了解了以上两条基本知识，我们不难理解，光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。
如果这时，我们把它作为一个电源，接上外电路，只要保证有源源不断的光照，那么光电池就会源源不断的供电，这就是光电池。
经过查阅资料，笔者了解到光电池有以下几个重要特性：
1、光谱特性：
光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。
光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。
硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。
可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。
2、光照特性：
光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。
短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。
因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。
3、温度特性：
光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。
由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。
开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。
由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
光电池应用广泛，而光伏发电系统的组成也比较简单。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳电池的等效电路由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。
以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括：
单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害；铸造多晶硅太阳能电池则具有稳定得转换的效率，而且性能价格比最高；薄膜晶体硅太阳能电池则现在还只能处在研发阶段。
目前，铸造多晶硅太阳能电池已经取代直拉单晶硅成为最主要的光伏材料。
但是铸造多晶硅太阳能电池的转换效
率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是电池转换效率较低的关键原因，因此关于铸造多晶硅中缺陷和杂质规律的研究，以及工艺中采用合适的吸杂，钝化工艺是进一步提高铸造多晶硅电池的关键。
目前量产的单晶硅电池转换效率在17%左右，多晶硅电池转换效率在16%左右。
而薄膜电池量产的转换效率为10%左右。
光电池拥有非常广阔的前景，太阳能是一种清洁能源，取之不尽，用之不竭，一旦光电伏特计系统被安装，就能将源源不断的光能转换成电能，它能提在数年内提供能量而不需要花费，并且只需要最小的维护。
目前，光伏发电产品主要用于三大方面：
一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源、通讯电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草坪灯等；三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。
我国并网发电还未起步，不过，xx年北京奥运会部分用电将会由太阳能发电和风力发电提供。
目前，中国生产的太阳能电池在全球市场占有率高达60%以上，但几乎全部都是硅基。
虽然中国是硅原料生产大国，但却不掌握硅提纯技术，所以太阳能产业所需的硅原料完全依赖进口，随着国际上硅原料成本不断上涨，中国的太阳能产业利润日益水平日益下降。
另一方面，由于中国政府没有针对太阳能的实质性补贴政策，中国太阳能的产能基本只能全部出口，而随着太阳能主要市场如欧洲和北美的贸易保护日益严重，国内太阳能产业生产情况日益严峻。
所以，国内太阳能产业面临着巨大的转型压力，而转型的方向，就是基于染料敏化氧化钛技术的薄膜太阳能电池方向。
薄膜电池的优势主要是制造工艺简单，成本低廉，且理论上相比硅具有对弱光敏感度高，全天累计发电时间大幅高于硅基电池等方面。
目前国际上薄膜电池技术最强，产业化程度最高的国家是日本，使用*染料敏化技术，他们的薄膜电池已经能做到硅基电池的1/3-1/4的成本，转化率高达18%-22%；
我们有义务去了解光电池，多支持光电池产品，客观的说，在传统能源日渐枯竭的今天，太阳能、风能、核能是最具潜力的绿色能源，但目前的核能利用技术不成熟导致的核电站污染危机将会导致核电站建设和使用受限。
风能发电又受到自然条件影响，所以都不适合取代传统的火电水电。
太阳能发电将会成为将来能源的主流手段之一。
光电池的工作原理
太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。
能产生光伏效应的材料有许多种，如：
单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。
它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。
P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。
当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P－N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。
这个过程的实质是：
光子能量转换成电能的过程。
当光照射到半导体上时，光子将能量提供给电子，电子将跃迁到更高的能态，在这些电子中，作为实际使用的光电器件里可利用的电子有：
（1）价带电子；
（2）自由电子或空穴（FreeCarrier）；
（3）存在于杂质能级上的电子。
太阳电池可利用的电子主要是价带电子。
由价带电子得到光的能量跃迁到导带的过程决定的光的吸收称为本征或固有吸收。
太阳电池能量转换的基础是结的光生伏特效应。
当光照射到pn结上时，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入n区，空穴流入p区，结果使n区储存了过剩的电子，p区有过剩的空穴。
它们在pn结附近形成与势垒方向相反的光生电场。
光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使p区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过，这个电流称作短路电流，另一方面，若将PN结两端开路，则由于电子和空穴分别流入N区和P区，使N区的费米能级比P区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生了电位差VOC。
可以测得这个值，并称为开路电压。
由于此时结处于正向偏置，因此，上述短路光电流和二极管的正向电流相等，并由此可以决定VOC的值。
太阳电池的能量转换过程
太阳电池是将太阳能直接转换成电能的器件。
它的基本构造是由半导体的PN结组成。
此外，异质结、肖特基势垒等也可以得到较好的光电转换效率。
本节以最普通的硅PN结太阳电池为例，详细地观察光能转换成电能的情况。
首先研究使太阳电池工作时，在外部观测到的特性。
当太阳光照射到这个太阳电池上时，将有和暗电流方向相反的光电流Iph流过。
当给太阳电池连结负载R，并用太阳光照射时，则负载上的电流Im和电压Vm将由图中有光照时的电流一电压特性曲线与V=-IR表示的直线的交点来确定。
此时负载上有
Pout=RI2m的*Gong*率消耗，它清楚地表明正在进行着光电能量的转换。
通过调整负载的大小，可以在一个最佳的工作点上得到最大输出*Gong*率。
输出*Gong*率（电能）与输入*Gong*率（光能）之比称为太阳电池的能量转换效率。
下面我们把目光转到太阳电池的内部，详细研究能量转换过程。
太阳电池由硅pn结构成，在表面及背面形成无整流特性的欧姆接触。
并假设除负载电阻R外，电路中无其它电阻成分。
当具有hν（eV）（hν>Eg，Eg为硅的禁带宽度）能量的光子照射在太阳电池上时，产生电子―空穴对。
由于光子的能量比硅的禁带宽度大，因此电子被激发到比导带底还高的能级处。
对于p型硅来说，少数载流子浓度np极小（一般小于105/cm），导带的能级几乎都是空的，因此电子又马上落在导带底。
这时电子及空穴将总的hν-Eg（ev）的多余能量以声子（晶格振动）的形式传给晶格。
落到导带底的电子有的向表面或结扩散，有的在半导体内部或表面复合而消失了。
但有一部分到达结的载流子，受结处的内建电场加速而流入n型硅中。
在n型硅中，由于电子是多数载流子，流入的电子按介电驰豫时间的顺序传播，同时为满足n型硅内的载流子电中性条件，与流入的电子相同数目的电子从连接n型硅的电极流出。
这时，电子失去相当于空间电荷区的电位高度及导带底和费米能级之间电位差的能量。
设负载电阻上每秒每立方厘米流入N个电子，则加在负载电阻上的电压V=QNr=IR表示。
由于电路中无电源，电压V=IR实际加在太阳电池的结上，即结处于正向偏置。
一旦结处于正向偏置时，二极管电流Id=I0[exp（qV/nkT）-1]朝着与光激发产生的载流子形成的光电流Iph相反的方向流动，因而流入负载电阻的电流值为
在负载电阻上，一个电子失去一个qV的能量，即等于光子能量hν转换成电能qV。
流过负载电阻的电子到达p型硅表面电极处，在P型硅中成为过剩载流子，于是和被扫出来的空穴复合，形成光电流
光电池原理及其应用
李汉军杨士亮
徐州
杨恩智
22100
（空军后勤学院
）0
光电池是利用半导体光伏效应制成的光电
能有一部分变成热另一部分以光子的形式与
n组成P结的原子价电子碰撞产生电子空穴n对产生在犷结势垒区的电子空穴对在势
.
转换器件
.
它既可以作为电源又可以作为光
.
电检测器件池
.
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
太阳电池不需要燃料没有运动部件也不
垒区内建电场的作用下将电子驱向
n
区空穴
驱向
p
区从而使得
.
n
区有过剩的电子p区有
n
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
,
过剩的空穴
这样在p,
结附近就形成与内建
.
电场方向相反的光生电场
光生电场除一部分
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
.
、
、
抵消内建电场外还使负电在
,
p
型层带正电
n
型层带
作为光电
、
n
区和
p
区之间的薄层产生光生电动
n
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
光电藕合器光电开关等
、
、、、
.
势这种现象称为光生伏打效应筒称光伏效
应过
.
若分别在
.
p
型层和
型层焊上金属引线
光电池的制作材料
、
接通负载在持续光照下外电路便有电流通
如此形成的一个个电池元件经过串联和
有许多种例如硅硒锗硫化锅砷化稼等其中最常用的是硅光电池
一
、
.
并联就能产生一定的电压和电流输出电能
硅光电池的结构及工作原理
l
n
从而实现光电转换
.
硅光电池的基本结构如图
所示它的基
型硅单晶制
p
硅光电池响应时间短（10”一
转换效率高（目前转换效率高达27电池己研制成功）匕育
..
10
.
一
“
）s
光电
片用低阻（p
,
=
01~.001口
.
c
m）
5%的硅光
成再用扩散硼（或磷）的方法在基片上形成
型膜构成nP结
.
若有
lm
2
的这种光电池在
ew当光照射到pn结时一部
足够的阳光照射下可以产生100多瓦的电
n分被反射其余部分被犷吸收被吸收的辐射
前苏联从70年
代就开始了对高能微波武
器的研究工作他们在各方面的研究技术都领先于美国
.
战争中具有巨大的作战应用潜力它必将作为
一种重要的电子杀伤武器更为广泛地应用在
1世纪的战场上2
.
9719年前苏联在苏捷边境进行了
一次动物试验该试验使用的高能微波武器可
总之现代化的战争离不开现代化的武器
装备现代化的武器装备离不开现代化的电子
使距离
Ikm
的山羊突然死亡使距离Zkm的山
.
羊立即丧失活动能力
以后他们又研制出了
设备现代化的电子设备离不开良好的电磁环
境
.
一种用于防空的高能量微波武器可以用来保
由于现代战场电磁环境日趋复杂从而对
.
护重要的军事基地和军事指挥中心
90
.
武器装备提出了更高的要求
因此如何提高
,
年代以来高能微波武器发展总的趋势
.
武器装备的电磁作战能力和抗电磁干扰能力
是进一步提高发射功率和能量转换效率减小
是今后武器装备建设中的一项重要任务也是
体积增强生存能力
高能量微波武器在现代
保证取得未来战争胜利的一个重要条件
.
现代物理知识
光照
I
n
.
1
航标灯硅光电池发电装置
,
设立在港湾及河海航道上的航标灯（浮标
灯或灯塔）可以采用光电池作为电源以减小
iSS
（）
安装维护和管理的难度电池发电装置示意图
.
、
.
图2为航标灯硅光
.
光电池把太阳能转换为
电能后可以直接给航标灯供电
但在阴雨天
或晚上光线很弱光电池的输出电压很低不
图1硅光电池结构示意图
能满足负载要求
.
为了解决这一问题光电池
.
Z硅光电池在10mw/cm的人射光照射
必须与蓄电池并联使用
有光照时光电池给
.
下其开路电压为450~60mV短路电流为
1一30mAc耐6
负载供电的同时给蓄电池充电
隔离二极管
光线减弱到
光电转换效率为
6一12%以
上
.
下面列出部分国产硅光电池的主要技术参
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