2.2光电池解析

2.2光电池光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为两大类：即太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用于供电困难的场所和一些日用便携电器中。测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在光度、色度、光学精密计量和测试设备中。3按材料分：光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。2.2.1.光电池的结构按硅光电池衬底材料的不同可分为2DR型和2CR型。如图所示为2DR型硅光电池，它是以P型硅为衬底(即在本征型硅材料中掺入三价元素硼或镓等)，然后在衬底上扩散磷而形成N型层并将其作为受光面。硅光电池的受光面的输出电极多做成如图所示的梳齿状或“E”字型电极，其目的是减小硅光电池的内电阻。5光电池的结构图下电极梳状电极SiO2抗反射膜PN2CR硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。提高工作效率的方法（1）材料（2）增加面积位于西藏藏北无人区西部尼玛县新建成的光伏电站用来发电的大型硅光电池版。现代化走进藏北高原无人区：大型硅光电池72.2.2光电池的电流与电压：当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。RLI---mAV+++PN光电池的连接电路：光电池的等效电路见图2-10(26)scpII开路电压：0ln(1)(25)pocIkTVeI(27)peIRPPh流过PN结的电流为：0(exp()1)pqVIIIkT短路电流为：说明：①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。23.伏安特性当光作用于PN结时，耗尽区内的光生电子与空穴在内建电场力的作用下分别向N区和P区运动，在闭合的电路中将产生输出电流IL，且负载电阻RL上产生电压降为U。显然，PN结获得的偏置电压U与光电池输出电流IL与负载电阻RL有关，即U=ILRL当以输出电流IL为电流和电压的正方向时，可以得到伏安特性曲线。从曲线可以看出，负载电阻RL所获得的功率为：PL=ILU光电池输出电流IL应包括光生电流IP、扩散电流与暗电流等三部分1)(eKTqdPLUIII负载所获得的功率：PL=ILU=IL2RL负载电阻RL所获得的功率PL与负载电阻的阻值有关.•当RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率PL=0；•当RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率PL=0；•∞＜RL＜0时，输出功率PL＞0。•显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax。在实际工程计算中，常通过分析输出特性曲线得到经验公式，即，当负载电阻为最佳负载电阻时，输出电压U=UmUm=(0.6~0.7)Uoc而此时的输出电流近似等于光电流，即λe,Iλe,PM)1(ΦSΦehcqIId其中，SI为硅光电池的电流灵敏度。硅光电池的最佳负载电阻Ropt为λe,ocmmopt0.7)~(0.6ΦSUIURI从上式可以看出硅光电池的最佳负载电阻Ropt与入射辐射通量有关，它随入射辐射通量的增加而减小。负载电阻所获得的最大功率为Pm=ImUm=(0.6~0.7)UocIp4.转换效率光电池的输出功率与入射辐射通量之比定义为光电池的光电转换效率，记为η。当负载电阻为最佳负载电阻Ropt时，光电池输出最大功率Pm与入射辐射通量之比定义为光电池的最大光电转换效率，记为ηm。显然，光电池的最大光电转换效率ηm为0λe,0d-λe,ocemmdhc)de-(10.7)q~(0.6ΦΦUΦP式中是与材料有关的光谱光电转换效率，表明光电池的最大光电转换效率与入射光的波长及材料的性质有关。5光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。6开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。7太阳能电池装置光电池驱动的凉帽