PN結受到光照時，可在PN結的兩端產生光生電勢差，這種現象則稱為光伏效應利用半導體PN結光伏效應制成的器件稱為光伏器件，簡稱PV（Photovoltaic），也稱結型光電器件這類器件品種很多，其中包括各種光電池、光電二極管、光電晶體管、光電場效應管、PIN管、雪崩光電二極管、光可控硅、陣列式光電器件、象限式光電器件、位置敏感探測器（PSD）、光電耦合器件等。光生伏特器件

四象限器件線陣器件單元器件3.3.1光伏探測器-光電池

光電池是一種利用光生伏特效應制成的不需加偏壓就能將光能轉化成電能的光電器件。一．原理與結構

光電池是根據光生伏特效應制成的將光能轉變為電能的一種器件。它的基本結構就是一個P-N結。

光電池是在n（p）型硅基底上擴散p（n）型雜質并作為受光面，構成p-n結后，再經過各種工藝處理，分別在基底和光敏面上制作輸出電極，涂上二氧化硅作保護膜（一方面起防潮保護作用，另一方面對入射光起抗反射作用），即成光電池。np二氧化硅電極光電池的符號以及內部結構等效電路如圖所示從以上結構圖可知,由光照產生的電子和空穴在內電場的作用下才形成光生電動勢和光電流,由于內電場是由摻雜的P區和n區自由擴散形成的，故內建電場的強度是非常有限的，這就導致了光電池的光電轉換效率非常低，最高也只能是百分之十幾。光電池的輸出也受外接負載電阻大小的影響，如圖所示。當RL＝0時，U＝0，則I＝Iφ＝S即輸出電流與入射光通量φ成線性關系。當RL≠0時，U≠0，U↑，PN結的等效電阻rD↓，則ID↑；當U繼續增大到PN結的導通電壓時（RL非常大時），U就不會再增大，此時，PN結的rD變得很小，光照所產生的光電流Iφ幾乎全部流向二極管，即Iφ≈ID.這時，在負載RL上除有少量的電流維持PN結的導通電壓U外，光照產生的光電流幾乎都消耗在光電池內部。2、光電池的結構、分類光電池核心部分是一個PN結，一般作成面積大的薄片狀，來接收更多的入射光。為了減少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2或MgF2等材料的防反射膜，同時也可以起到防潮，防腐蝕的保護作用。受光面上的電極稱為前極或上電極，為了減少遮光，上電極做成梳齒狀或“E”字型電極

2DR型：以p型硅做基底，n型薄層受光面2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形有硅、硒、硫化鎘、砷化鎵光電池等。光電池按材料分按結構分，有同質結和異質結光電池等。國產同質結硅光電池因襯底材料導電類型不同而分成2CR系列和2DR系列兩種。光電池按結構分按用途分：太陽能電池：

測量用光電池：

分類：－－主要功能是作為光電探測用，光照特性的線性度好－－主要用作電源，轉換效率高、成本低(SolarCells)短路電流曲線：短路電流與光照度成線性關系

開路電壓曲線：開路電壓與光照度成對數關系

，當照度為2000lx時趨向飽和。E/klx

E/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池開路電壓短路電流短路電流2.特性1)光照特性

2)接有負載電阻RL的硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAE/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0因此在要求輸出電流與光照度成線性關系時，負載電阻在條件允許的情況下越小越好，并限制在強光下使用。3)光譜特性硅光電池的光譜特性硅光電池響應波長0.4-1.1微米，峰值波長0.8-0.9微米。硒光電池響應波長0.34-0.75微米，峰值波長0.54微米。4)溫度特性硅光電池的溫度特性

開路電壓下降大約23mV/度短路電流上升大約10-510-3mA/度光電池做探測器件時，測量儀器最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。5)伏安特性圖為在不同的光照之下光電池的伏安特性。圖中還畫出了三條負載線。負載短接或很小時，負載線與伏安特性的交點為等距離，電流正比于照度，數值也較大。負載電阻較大時，負載線與伏安特性的交點相互間距不等，即電流不與照度成正比，光照特性不是直線，電流也減小。6)頻率特性在調制頻率較高的場合，應采用硅光電池。要得到短的響應時間，必須選用小的負載電阻RL；光電池面積越大則響應時間越大，因為光電池面積越大則結電容Cj越大，在給定負載時，時間常數就越大，故要求短的響應時間，必須選用小面積光電池。注意事項：①硅光電池在強輻射下是穩定的，對于硒光電池，在強光照射時性能變化很大，這主要是由于此時體內已起了變化或表面的硒被氧化所造成的。②硅光電池由薄的硅片制成，極脆，使用時要特別小心。硅光電池的引線很嬌嫩，不能拉力太大。硅光電池的背面通常鍍有一層增透膜，使用時應避免硬物接觸表面。因此，合理的使用光電池可以保證其性能穩定、可靠性好以及壽命長等等。三.電路光電池用作太陽能電池時的電路如圖3.1.3－5所示。在黑夜或光線微弱時，為防止蓄電池經過光電池放電而設置二極管D。1．光電池用作太陽能電池光電池用作檢測元件使用時的電路如圖3.1.3－6所示，此電路可實現光電池的線性輸出。對光電池而言，RL近似等于0。圖中，Vo=－2RfIφ＝－2RfSφ。2．光電池用作檢測元件1、光電轉換部位不同2、光敏電阻需外加電壓，沒有極性，無正向、反向偏置之分；而結型器件因p-n結的存在，有正向偏置、反向偏置之分，且無外加電壓，也可工作，也能實現光電轉換。3、光敏電阻的光電流依賴于光生載流子的產生—復合運動，弛豫時間常數大，頻率響應差。結型器件的光電流依賴于結區部分光生載流子的漂移運動，弛豫過程時間常數小，響應速度快。與光敏電阻的比較6、光電池的應用1)、光電池用作太陽能電池把光能直接轉化成電能，需要最大的輸出功率和轉化效率。即把受光面做得較大，或把多個光電池作串、并聯組成電池組，與鎳鎘蓄電池配合，可作為衛星、微波站等無輸電線路地區的電源供給。2)、光電池用作檢測元件利用其光敏面大，頻率響應高，光電流與照度線性變化，適用于開關和線性測量等。1）太陽能電池太陽能特點：①無枯竭危險；②絕對干凈；③不受資源分布地域的限制；④可在用電處就近發電；⑤能源質量高；⑥使用者從感情上容易接受；⑦獲取能源花費的時間短。要使太陽能發電真正達到實用水平，一是要提高太陽能光電變換效率并降低成本；二是要實現太陽能發電同現在的電網聯網。1、光生電流的光學損失1）反射損失：超過30%的光能被裸露硅表面反射掉2）柵電極遮光損失：3）透射損失：電池厚度不夠，則某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。2、光生少子的收集幾率：由于存在少子復合，所產生的每一個光生少數載流子不可能全部被收集起來；3、太陽電池的光譜響應4、影響開路電壓Voc的實際因素：半導體的復合率越高，少子擴散長度越短，Voc越低;5、串聯電阻和旁路電阻引起效率下降6、溫度效應影響太陽能電池效率的一些因素1、最佳禁帶寬度的選擇2、抗反射膜3、接觸面積4、接觸電阻5、收集電阻6、太陽電池的光吸收7、載流子收集8、表面復合9、背接觸與背場效應提高太陽能電池轉換效率的途徑無機太陽能電池半導體硅(單晶、多晶、非晶、復合型等）化合物半導體（GaAs、CuInSe2、CdTe、InP等）有機太陽能電池有機半導體（酞菁鋅、聚苯胺、聚對苯乙炔等）光化學太陽能電池（納米TiO2等）按照所用材料的不同：太陽能電池的分類無機太陽能電池的性能及應用1.硅系太陽能電池單晶硅太陽能電池

優點：轉化率高(24.4%)

，技術最為成熟

缺點：成本高，基底厚度達350--450μm。提高轉化率的途徑：單晶硅表面微結構處理和分區摻雜工藝德國費萊堡太陽能系統研究所保持至世界領先水平3)非晶硅薄膜太陽能電池優點：成本低缺點：轉化率低(13%)制備方法：多采用化學氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法解決方法：制造疊層太陽能電池2)多晶硅薄膜太陽能電池優點：成本低，轉化率不衰退(18%)制備方法：多采用化學氣相沉積法，還有液相外延法和濺射沉積法多元化合物薄膜太陽能電池主要包括：砷化鎵、硫化鎘、碲化鎘及銅銦硒薄膜電池

硫化鎘(CdS)

、碲化鎘(CdSe)

：鎘有劇毒，不理想

砷化鎵(GaAs)：高轉化率(37.4%)，成本高。能隙1.42eV，光譜響應可見和紫外，溫度特性好，已開始用于空間太電池

銅銦硒(CuInSe2)

：優點：轉化率高(17%)，價格低廉，性能良好，工藝簡單缺點：銦和硒都是稀有元素，發展受限4.納米晶化學太陽能電池

工作原理：染料分子吸收太陽光能躍遷到激發態，激發態不穩定，電子快速注入到緊鄰的TiO2的導帶，染料分子中失去的電子很快從電解質中的導補償，進入TiO2導帶中的電子最終進入導電膜，然后通過外回路產生光電流。

優點：成本低廉，轉化率已穩定在10%以上，壽命達15—20年。3.有機太陽能電池

工作原理：有機半導體產生的電子和空穴束縛在激子之中,電子和空穴在界面(電極和導電聚合物的結合處)上分離。

優點：價格低、易成形、可通過化學修飾調控性能1954年美國貝爾實驗室制成了世界上第一個實用的太陽能電池，效率為4%，于1958年應用到美國的先鋒1號人造衛星上。

太陽能電池的應用我國1958年開始進行太陽能電池的研制工作，并于1971年將研制的太陽能電池用在了發射的第二顆衛星上。

硅光電池組成的光控閃光裝置光電池驅動的涼帽BIPV（光伏建筑一體化）并網光伏系統瑞士學生公寓上的玻璃幕墻日本AriaKa攝影工作室外的光伏系統德國旭格國際集團安裝的一個建筑屋頂項目日本sanyo1MW的屋頂太陽能飛機

1974年世界上第一架太陽能電池飛機在美國首次試飛?，F在，最先進的太陽能飛機，飛行高度可達2萬多米，航程超過4000公里。

Hondadream,thewinningcarinthe1996WorldSolarChallenge.

Solarcell光電追蹤電路圖光電地構成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執行機構按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執行機