硅光电池结构与工作原理及其应用

随着科技日新月异地发展，光电池在人们的生产生活中产生了越来越重要的作用。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能也称为太阳能电池。

太阳能电池是利用半导体光伏效应制成的光电转换器件，它既可以作为电源，又可以作为光电检测器件。作为电源使用的光电池，主要是直接把太阳的辐射能转换为电能，称为太阳电池。太阳电池不需要燃料，没有运动部件，也不排放气体，具有重量轻，工作性能稳定，光电转换效率高，使用寿命长，不产生污染等优点，在航天技术、气象观测、工农业生产乃至人们的日常生活等方面都得到了广泛的应用。作为光电检测器件使用的光电池，具有反应速度快，工作时不需要外加偏压等特点，用于近红外探测器、光电藕合器以及光电开关等。光电池的制作材料有许多种，例如硅、硒、锗、硫化镉、砷化镓等，其中最常用的是硅光电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势是发电式有源元件。

硅光电池

硅光电池（也常称为太阳能电池）是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。它具有寿命长、使用方便、无噪音、无污染等优点。经过人们40多年的努力，太阳能电池的研究、开发与产业化已取得巨大进步。目前，太阳能电池已成为空间卫星的基本电源和地面无电、少电地区及某些特殊领域（通信设备、气象台站、航标灯等）的重要电源。有专家预言，在21世纪中叶，太阳能光伏发电将占世界总发电量的15% ~ 20%，成为人类的基础能源之一，在世界能源构成中占有一定的地位。因而了解太阳能电池的工作原理和基本性能非常重要。

硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN 结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯（PN结）受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。

硅光电池的结构与工作原理

硅光电池内部结构如图1所示，主要由两部分组成：n型硅基片层和p型硅受光层。根据pn结原理，当光照在p型硅表面，且光子能量大于材料的禁带宽度时，在pn结内产生电子-空穴对。n区电子密度增加，p区空穴密度增加，如果外电路处于开路状态，那么这些光生电子和空穴积累在pn结附近，使p区获得附加正电荷，n区获得附加负电荷，这样在pn结上产生一个光生电动势，这一现象称为光伏效应。

如果连接灵敏电流计形成闭合电路，则在回路中产生光电流，光电流的大小与入射光强有关。

硅光电池的工作原理是基于光伏效应。当半导体pn结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别漂移到n型区和p型区，当在pn结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过pn结两端的电流可下式确定

上式中Is为饱和电流，V为pn结两端的电压，T为绝对温度，Ip为产生的光电流。从式中可以看到，当硅光电池处于零偏时，V=0，流过pn结的电流I=Ip；当硅光电池处于反偏时（在本实验中取V=-5V），流过PN结的电流I=Ip-Is。

图2是硅光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V转换器把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的饱和电流Is。

当在硅光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻ＲＬ的值来测定光电池的伏安特性曲线（如图3所示）。

光电池的应用

光电池主要有两方面的应用：一是太阳能电池，二是光电转换器件。

太阳能电池

光伏作用直接将太阳能转换成电能，太阳能电池目前在航空、通信、太阳能发电站等方面得到应用。例如现在普遍使用的太阳能热水器，正是利用太阳能把太阳能，装换成电能而加热水。随着太阳能电池技术的不断发展，其成本会逐渐下降，在生产生活各领域将发挥越来越大的作用。

光电转换器件

硅光电池对光很敏感，因此在自动控制中是很好的光电检测元件。可用于红外探测光电输、出光电藕合、光电跟踪、特性识别等等方面；硅光电池可做照度计、光度计、浊度计比色计、烟度计等仪器的光信号接收元件，另外可用于电影还音；纺织行业的光电探纬、换梭、除疵等;还可用于航标灯，路灯自动开关；机床的安全保护自动控制，自动计数，印刷机控制双张等等方面。另外要求光电池具有灵敏度高、响应时间短的特点，有特殊的制造工艺，用于光电检测和自动控制系统中。

硅电池发电既能节约地球上有限的资源，又能保护环境，具有双赢效果。太阳能产业是新兴的朝阳行业，其成长性很好，所以我们要不断努力，使其进一步发展和应用，为人类造福！