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光电池及其应用 * * 光伏技术、产业及市场： 光伏技术可直接将太阳的光能转换为电能，用此技术制作的光电池使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划，开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性，降低成本，不断扩大产业。目前已有80多个国家和地区形成商业化、半商业化生产能力，年均增长达16％，市场开拓从空间转向地面系统应用，甚至用于驱动交通工具。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池 作屋顶、外墙、窗户等建材用）投资规模为600亿美元，而到2005年还会再翻一倍达1200亿美元，光伏技术制作的光电池有望成为21世纪的新能源。 硅光电池的基体材料为一薄片P型单晶硅,其厚度在0.44mm以下,在它的表面上利用热扩散法生成一层N型受光层,基体和受光层的交接处形成PN结.在N型层受光层上制作有栅状负电极,另外在受光面上还均匀覆盖有抗反射膜,它是一层很薄的天蓝色一氧化硅膜,可以使电池对有效入射光的吸收率达到90%以上,并使硅光电池的短路电流增加25%-30%. 硅材料为基体的硅光电池,可以使用单晶硅、多晶硅、非晶硅来制造.单晶硅光电池是目前应用最广的一种,它有2CR和2DR两种类型,其中2CR型硅光电池采用N型单晶硅制造,2DR型硅光电池则采用P型单晶硅制造. （一）硅光电池结构和工作原理 工作原理的基础是半导体PN结的光生伏特效应。所谓光生伏特效应就是当物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。如图2，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应电池的工作原理。 （三）特性参数 ①开路电压Voc: 在一定光照下，硅光电池两输出端开路时，所产生的光电子电压。②短路电流ISc: 在一定光照下，硅光电池所接负载电阻为零时，流过硅光电池的电流。③暗电流ID: 在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所产生的电流。④反向阻抗R: 在无光照的条件下，在硅光电池两端施加反向电压时所呈现的阻抗。⑤峰值波长λo: 响应光谱中吸收最大处的波长。⑥下限波长λ1: 响应光谱中吸收力最大吸收的50%处所对应的下限波长。·⑦上限波长λ2: 响应光谱中吸收为最大吸收的50%处所对应的上限波长。⑧最大反向电压VRM: 使用硅光电池时所允许加的极限反向电压。⑨转换效率η: 硅光电池输出电能与输入光能量的比值,大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6％,多晶硅光电池理论计算表明其效率可在28％以上。 （二）硅蓝光电池 宽光谱响应，它特别适用于工作在300nm-1000nm光谱范围的各种光学仪器，对紫蓝光有较高的灵敏度、 器件体积小、性能稳定可靠，电路设计简单灵活，是光电管和硅光电池的更新换代产品。 紫蓝硅光电池: BPW69-A,BPW34 （1）伏安特性 硅光电池的伏安特性，表示输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线。 光电池等效电路 光电池伏安特性曲线 伏安特性曲线方程为： IL为光电池等效电路中的恒流源 Is为光电池等效二极管反向饱和电流 Rd为光电池等效电路中串联电阻， Rd很小 ，则方程改写为： S为光电灵敏度, L为入射光强度 可以看出，开路电压与入射光强成对数关系。而短路电流与入射光强成线性关系。 电压、电流随入射光强度变化特性 电压、电流与受光面积A变化特性 当外接负载电阻时，如果负载电阻值比Rd小得多，则输出电流可以近似认为就是短路电流。此时，输出电流与光强仍为线性关系。 光电池在不同负载电阻下的光电特性 负载电阻愈小，线性度愈好，且线性范围愈宽 光强愈大，线性范围愈小 （2）输出特性 光电池两端连接某一负载RL,其上的电流设为IL，电压降为VL，则光电流在RL上产生的电功率为： PL = VL IL 转换效率η：电功率与入射光功率之间的比值。 IL、 VL、 PL的关系 RM为功率最大值PM对应的负载电阻值，称为最佳负载。 （3）光谱特性 用单位辐射通量的不同波长的光分别照射时光电池短路电流大小的相对值表示。 硅光电池：光谱响应范围 0.4 ~0.9μm 峰值波长 0.8~0.9 μm 硒光电池：光谱响应范围 0.34~0.75 μm 峰值波长 0.54 μm （4）温度特性 （5）频率特性 用两个性能相近的硅光电池作光接受器件，当入射光通量相同时Vo=0，执行机构按预定的方式工作。当光路系统略有偏差时，两个硅光电池接收到的光通量发生变化，此时Vo≠0，这一差动输出信号经过放大即可带动执行机构(例如微型电机)对系统状态进行纠正，直到Vo=0为止，