第3章 半导体光电检测器件及应用2-光电池.ppt

光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。 PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。 半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。 光电池的结构特点 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。 在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），如2CR型 受光面是P型层 或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），如2DR型，受光面是N型层 受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用 上电极做成栅状，为了更多的光入射 由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上， 实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。 光电池的特性 1 伏安特性 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。 曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。 连接方式：开路电压输出---(a) 短路电流输出---(b) 光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。 开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流---光强) ，灵敏度低 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出） 负载RL的增大线性范围也越来越小。 因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。 4 时间和频率响应 硅光电池频率特性好 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池 要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL； 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Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。 硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， 峰值波长0.8-0.9微米。 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， 峰值波长0.54微米。 光电池的应用 1、光电检测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。 2、将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。 硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。 多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。 非晶硅太阳能电池 非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺, 具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。 非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。 非晶硅太阳能电池的稳定性较差, 从而影响了它的迅速发展。 化合物太阳能电池 三五族化合物电池和二六族化合物电池。 三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等; 二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。 在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%; GaAs 化合物太阳能电池 Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As 不是稀有元素,有毒。 GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。 GaAs 化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。 太阳能 太阳能特点： ①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。 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。 * * 3.2.1 光电池 3.2 光生伏特器件 符号 光电池伏安特性曲线 光电池等效电路 2 光电池的光照特性 100 10 102 103 电流密度J/uAmm-2 10-2