鉅大LARGE | 點擊量：2956次 | 2019年08月26日
硅光電池結(jié)構(gòu)與工作原理及其應(yīng)用
隨著科技日新月異地發(fā)展，光電池在人們的生產(chǎn)生活中產(chǎn)生了越來越重要的作用。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能也稱為太陽能電池。
太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，它既可以作為電源，又可以作為光電檢測器件。作為電源使用的光電池，主要是直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽電池。太陽電池不需要燃料，沒有運動部件，也不排放氣體，具有重量輕，工作性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率高，使用壽命長，不產(chǎn)生污染等優(yōu)點，在航天技術(shù)、氣象觀測、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至人們的日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。作為光電檢測器件使用的光電池，具有反應(yīng)速度快，工作時不需要外加偏壓等特點，用于近紅外探測器、光電藕合器以及光電開關(guān)等。光電池的制作材料有許多種，例如硅、硒、鍺、硫化鎘、砷化鎵等，其中最常用的是硅光電池。它有較大面積的pN結(jié)，當(dāng)光照射在pN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢是發(fā)電式有源元件。
硅光電池
硅光電池（也常稱為太陽能電池）是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。它具有壽命長、使用方便、無噪音、無污染等優(yōu)點。經(jīng)過人們40多年的努力，太陽能電池的研究、開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化已取得巨大進步。目前，太陽能電池已成為空間衛(wèi)星的基本電源和地面無電、少電地區(qū)及某些特殊領(lǐng)域（通信設(shè)備、氣象臺站、航標燈等）的重要電源。有專家預(yù)言，在21世紀中葉，太陽能光伏發(fā)電將占世界總發(fā)電量的15%~20%，成為人類的基礎(chǔ)能源之一，在世界能源構(gòu)成中占有一定的地位。因而了解太陽能電池的工作原理和基本性能非常重要。
硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的pN結(jié)，把一只透明玻璃外殼的點接觸型二極管與一塊微安表接成閉合回路，當(dāng)二極管的管芯（pN結(jié)）受到光照時，你就會看到微安表的表針發(fā)生偏轉(zhuǎn)，顯示出回路里有電流，這個現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。硅光電池的pN結(jié)面積要比二極管的pN結(jié)大得多，所以受到光照時產(chǎn)生的電動勢和電流也大得多。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
硅光電池的結(jié)構(gòu)與工作原理
硅光電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩部分組成：n型硅基片層和p型硅受光層。根據(jù)pn結(jié)原理，當(dāng)光照在p型硅表面，且光子能量大于材料的禁帶寬度時，在pn結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對。n區(qū)電子密度增加，p區(qū)空穴密度增加，如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在pn結(jié)附近，使p區(qū)獲得附加正電荷，n區(qū)獲得附加負電荷，這樣在pn結(jié)上產(chǎn)生一個光生電動勢，這一現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。
如果連接靈敏電流計形成閉合電路，則在回路中產(chǎn)生光電流，光電流的大小與入射光強有關(guān)。
硅光電池的工作原理是基于光伏效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體pn結(jié)處于零偏或反偏時，在它們的結(jié)合面耗盡區(qū)存在一內(nèi)電場，當(dāng)有光照時，入射光子將把處于價帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對在內(nèi)電場作用下分別漂移到n型區(qū)和p型區(qū)，當(dāng)在pn結(jié)兩端加負載時就有一光生電流流過負載。流過pn結(jié)兩端的電流可下式確定
上式中Is為飽和電流，V為pn結(jié)兩端的電壓，T為絕對溫度，Ip為產(chǎn)生的光電流。從式中可以看到，當(dāng)硅光電池處于零偏時，V=0，流過pn結(jié)的電流I=Ip；當(dāng)硅光電池處于反偏時（在本實驗中取V=-5V），流過pN結(jié)的電流I=Ip-Is。
圖2是硅光電信號接收端的工作原理框圖，光電池把接收到的光信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之成正比的電流信號，再經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換器把光電流信號轉(zhuǎn)換成與之成正比的電壓信號。比較光電池零偏和反偏時的信號，就可以測定光電池的飽和電流Is。
當(dāng)在硅光電池兩端加一個負載就會有電流流過，當(dāng)負載很小時，電流較小而電壓較大；當(dāng)負載很大時，電流較大而電壓較小。實驗時可改變負載電阻ＲＬ的值來測定光電池的伏安特性曲線（如圖3所示）。
光電池的應(yīng)用
光電池主要有兩方面的應(yīng)用：一是太陽能電池，二是光電轉(zhuǎn)換器件。
太陽能電池
光伏作用直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，太陽能電池目前在特種、通信、太陽能發(fā)電站等方面得到應(yīng)用。例如現(xiàn)在普遍使用的太陽能熱水器，正是利用太陽能把太陽能，裝換成電能而加熱水。隨著太陽能電池技術(shù)的不斷發(fā)展，其成本會逐漸下降，在生產(chǎn)生活各領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越大的作用。
光電轉(zhuǎn)換器件
硅光電池對光很敏感，因此在自動控制中是很好的光電檢測元件。可用于紅外探測光電輸、出光電藕合、光電跟蹤、特性識別等等方面；硅光電池可做照度計、光度計、濁度計比色計、煙度計等儀器的光信號接收元件，另外可用于電影還音；紡織行業(yè)的光電探緯、換梭、除疵等;還可用于航標燈，路燈自動開關(guān)；機床的安全保護自動控制，自動計數(shù)，印刷機控制雙張等等方面。另外要求光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時間短的特點，有特殊的制造工藝，用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。
硅電池發(fā)電既能節(jié)約地球上有限的資源，又能保護環(huán)境，具有雙贏效果。太陽能產(chǎn)業(yè)是新興的朝陽行業(yè)，其成長性很好，所以我們要不斷努力，使其進一步發(fā)展和應(yīng)用，為人類造福！
