光电池

光电池简介一、光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（PN结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部结区两侧产生电动势（光生电压），如将PN结外部短路，则会出现电流（光生电流）。这种由于光照引起的物质内部的电场的变化也称光电效应，为了与引起光电子发射的光电效应有所区别，也叫内光电效应。在技术领域通常把上述现象称为光生伏特效应。1．PN结的光生伏特效应设入射光垂直PN结面。如结较浅，光子将进入PN结区，甚至更深入到半导体内部。能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子—空穴对。在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。由于PN结势垒区内存在较强的内建场（自N区指向P区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：P区的电子穿过PN结进入N区；N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势，这就是PN结的光生伏特效应。由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在PN结内部形成自N区向P区的光生电流IL见下图（b）。（a）无光照（b）光照激发图1PN结能带图由于光照在PN结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端加正向电压V，使势垒降低为qVD－qV，产生正向电流IF。在PN结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，PN结两端建立起稳定的电势差V0。（P区相对于N区是正的），这就是光电池的开路电压。如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，PN结起了电源的作用。这就是光电池（也称光电二极管）的基本原理。金属－半导休形成的肖持基势垒层也能产生光生伏特效应（肖特基光电二极管），其电子过程和PN结相类似，不再赘述。2．光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流IL，在光生电压V作用下的PN结正向电流IF，流经外电路的电流I。IL和IF都流经PN结内部，但方向相反。根据PN结整流方程，在正向偏压V作用下，通过结的正向电流为)1(0TkqVSFeII（1）这里，V是光生电压，IS是反向饱和电流。假设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降，因而光生载流子产生率Q也随光照深入而减小，即产生率Q是x的函数。为了简化用Q表示在结的扩散长度（LP十LN）内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度LP内的空穴和LN内的电子都能扩散到PN结面而进入另一边。这样光生电流IL应该是)(npLLLAQqI（2）式中A是PN结面积，q为电子电量。光生电流IL从N区流向P区，与IF反向。如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为)1(0TkqVSLFLeIIIII（3）这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电他的伏安特性，其曲线如下图所示。图中曲线（1）和（2）分别为无光照和有光照时光电池的伏安特性。由上式可得)1ln(0SLIIIqTkV（4）在PN结开路的情况下（R＝∞），两端的电压即为开路电压VOC。这时，流经R的电流I=0，即IL=IF。将I=0代入上式，得开路电压为)1ln(0SLIIqTkV（5）如将PN结短路（V＝0），因而IF=0，这时所得的电流为短路电流ISC。由（5）式，显然短路电流等于光生电流，即ISC＝IL（6）VOC和ISC是光电池的两个重要参数，其数值可由上图曲线（2）在V和I轴上的截距求得。根据式（2）和（6），可讨论短路电流ISC和开路电压VOC随光照强度的变化规律。显然两者都随光照强度的增强而增大；所不同的是ISC随光照强度线性地上升，而VOC则成对数式增大，见图3。但是，VOC并不随光照强度无限地增大。当光生电压VOC增大到PN结势垒消失时，即得到最大光生电压Vmax，因此，Vmax应等于PN结势垒高度VD，与材料掺杂程度有关。实际情况下，Vmax与禁带宽度Eg相当。光生伏特效应最重要的应用之一，是将太阳辐射能直接转变为电能。图2光电池的伏安特性图3VOC和ISC随光强度的变化二、光电池的原理、结构光电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，由于其内部可能存在PN结，因此也称为结型探测器，简称PV探测器。光电池有两类用途，一是作为能量转换装置，例如作为太阳能电池，将光能转变为电能，成为一种绿色电源；二是用作光电探测器件，将光信号转变为电信号，起测量作用。光电池的结构分为两种类型，一种是金属—半导体接触型，另一种是PN结型，见图4。制作光电池的材料一般有硅（Si）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）、氧化亚铜（Cu2O）、硫化镉（CdS）和硫化银（AgS）等等，用作透明电极的材料有Cu2S、SnCl4。其中硒光电池、硅光电池和以砷化镓为材料的光电池应用比较广泛。硒光电池的结构属于金属——半导体接触型。在铁或铝的基底上镀一层镍，然后将P型半导体硒涂在上面，再度一层半透明氧化膜（金或氧化镉），最后安装电极、引线，就形成了光伏器件。当光照射到半透明膜下的硒表面时，由于硒的本征吸收而产生了电子—空穴对，在导电膜与半导体硒交界处得势垒作用下，电子流向导电膜一边，空穴则向另一边集中，从而形成光生电动势。另一种光电池，硅光电池是PN结型结构，在P型（或N型）半导体硅表面扩散一层N（或P型）杂质以形成PN结，就组成了最基本的光伏器件结构。硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池。单晶硅材料制成的光电池有两种类型：以P型硅为衬底的2DR型（在衬底上扩散磷形成N型薄层）和以N型硅为衬底的2CR型（在衬底上扩散硼形成P型薄层）。为了提高效率，在受光面上要形成SiO2氧化成，以防止表面反射，且将表面电极做成梳状，以减少光生载流子的复合而提高转换效率。三、光电池的特性1、光谱特性光电池的光谱特性主要由材料及制作工艺决定。为了比较光电池对不同波长光的响应程度，规定在入射光能量保持一个相同值的条件下，研究光电池的短路电流与入射光波长的关系。不同材料有不同的光谱响应范围，各种光电池的特性见下表。如硅光电池的光谱响应范围从可见光到近红外（0.4～1.1μm），峰值波长为0.8～0.9μm；硒光电池的光谱响应范围与人的视觉接近，在0.4～0.7μm，峰值波长为0.54μm附近。这两种光电池的光谱响应特性曲线如图5所示。硅光电池除了一般情况下的光谱响应特性，在PN结结深较浅（一般为0.4μm）的情况下，由于入射光更容易到达PN结，因此短波长光从表面进入材料后受到的吸收小，因而提高了段波长的光被材料吸收的几率，导致吸收峰值发生变化，向短波长偏移（约在0.6μm附近），这种光电池称为蓝硅光电池。硅光电池的两种光谱响应曲线如图6所示。曲线1和曲线2分别为蓝硅光电池和普通硅光电池的光谱特性曲线。图5硅、硒光电池光谱特性图6硅光电池的光谱特性曲线2、伏安特性见前面第一节光电池的电流电压特性。1234光光图金属—半导体型光电池4a1234－集电极；－半透明膜；－硒层；－金属板光光电板电极NP－＋图结型光电池4bPn图光电池的结构43、光照特性光电池的光照特性是指光生电动势与光照度的关系。图7的a和b分别表示硅光电池和硒光电池的短路电流、开路电压与光照度的关系曲线。根据上面的短路电流表达式，在近似条件下，短路电流就是光电流，且与照度成线性关系EKIIEpsc（7）式中KE是光电池的光电灵敏度（A/lux），E是光照度。Isc与E只是在一段范围内成线性关系，在照度过小时Isc很小，在照度过大时Isc趋于饱和。图7光电池的光照特性曲线当负载电阻不等于零时，随着光强的增加，光电流和端电压都在增加，二极管处于正向偏置下，内阻很小外电流增加缓慢，与光照度成非线性关系。负载越大，非线性越显著，如图8所示。在开路时表现为随着照度增加开路电压增加很快，但当照度增加到一定程度，内部的非平衡少数载流子已基本上分别集中在PN结的两端，使开路电压随照度变化缓慢，出现饱和现象。通常光电池的开路饱和电压在0.45～0.6V，短路电流密度为150～300A/㎡。图8光电池的光照特性与负载电阻的关系4、频率特性当光电池作为探测器件使用时，频率特性是一个很重要的参数。由于光敏面比较大，结电容也比较大，光电池的内阻在光照较小时也比较大，这些都使电路的时间常数加大，使得频率响应不高。例如硅光电池的截止频率只有几十千赫。此外，负载电阻也影响到光电池的频率响应，负载电阻大时响应时间也增大，从而使频率特性变差。如图9所示。a硅光电池的频率特性b光电池的频率特性图9图10光电池的温度特性图11太阳能电池的结构5、温度特性由前面的关系式可以看出，温度对光电池的影响很大。随着温度的不断增加，开路电压下降，短路电流上升，如图10所示。在强光照射时要注意器件本身的温升，一般情况下，硒光电池的结温不应超过50℃，硅光电池的结温不应超过200℃，否则，光电池的晶格结构会遭到破坏，从而毁坏光电池。四、太阳能电池太阳能电池是光电池的一种，其原理和光电池的原理相同，即基于光生伏特效应的原理。太阳能电池通常采用图11所示的结构。为了增加采光面积，太阳能电池一般由一个大面积硅PN结组成。太阳能电池可作为长期电源，现已在人造卫星及宇宙飞船中广泛使用。太阳能电池的主要优点是环保和无需长距离输电；主要缺点是输出电压要受天气变化影响。太阳能电池主要考虑的是输出功率要大。由于采用的半导体材料不同，太阳能电池分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。硅加热熔化后慢慢冷却变成晶体，根据冷却的方法不同分为单晶硅、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。化合物半导体电池采用材料是两种以上元素的半导体，如GaAs、InP、CdS、CdTe、CuInSe2等。1．输出特性太阳能电池的输出特性为输出电压与输出电流之间的关系，如图12所示。Uoc为太阳电池的开路电压，一节太阳电池的开路电压为0.5～0.8V。Isc为太阳电池的短路电流，短路电流大小随光强度不同而异。图中Uop×Iop与Uoc×Isc之比叫曲线因子，曲线因子一般小于1，为0.5～0.8。太阳能电池的变换效率为输出能量与入射能量之比。对于不同的光谱将光能变换为电能的比例不同，光谱特性表示太阳能电池入射单位光子时能产生多少个电子（空穴），用百分数表示。图12太阳能电池的电流－电压特性曲线光谱特性图13太阳能电池的光谱响应曲线2．光照特性太阳能电池的输出与照度（光的强度）相对应。如图14所示，可以看出太阳能电池的开路电压Uoc、短路电流Isc以及最大功率Pmax均随照度增大而增大，而曲线因子几乎不受照度的影响。a）C-Si太阳电池b）a-Si太阳能电池图14荧光灯各种照度时太阳能电池的输出特性3．温度特性太阳能电池的输出也随温度而变化，如图15所示。随着温度的升高，太阳能电池的短路电流增大，但是超过短路电流，开路电压减小，因此转换效率降低，因此，使用太阳能电池时要降低太阳能电池的温度以提高转换效率。图15不同温度时非晶硅太阳电池的电流－电压特性图16接负载时太阳电池的工作点4．工作点实际用太阳能电池为电子设备供电时，太阳电池的工作点由负载的阻抗决定，太阳能电池工作点是负载的I—V特性曲线与太阳电池的I—V特性曲线的交点。太阳电池实际工作点对应的电压与电流分别称为工作电压和工作电流，该值必须与最佳工作电压与电流相一致，即：工作点要选在最佳工作点附近。由于工作点随照度变化较大，为保证最低照度下能使电子设备正常工作，太阳电池工作电压的选择一般要低于通常照度时的最佳工作电压。