光電池有哪些？原理有哪些？

2021-04-24 ryder

隨著科技日新月異地發展，光電池在人們的生出現活中出現了越來越緊要的用途。光電池是利用光生伏特效應把光筆直轉變成電能的器件。由于它可把太陽能筆直變電能也稱為太陽能電池

太陽能電池是利用半導體光伏效應制成的光電轉換器件，它既可以作為電源，又可以作為光電測試器件。作為電源使用的光電池，緊要是筆直把太陽的輻射能轉換為電能，稱為太陽電池。太陽電池不要燃料，沒有運動部件，也不排放氣體，具有重量輕，工作性能穩定，光電轉換效率高，使用壽命長，不出現污染等優勢，在航天技術、氣象觀測、工農業加工乃至人們的日常生活等方面都得到了廣泛的使用。

作為光電測試器件使用的光電池，具有反應速度快，工作時不要外加偏壓等特點，用于近紅外檢測器、光電藕合器以及光電開關等。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，當光照射在pN結上時，在結的兩端出現電動勢是發電式有源元件。太陽能電池的利用和特性的研究是21世紀的熱門課題，許多國家正投入大量人力物力對太陽能電池進行研究硅光電池是依據光伏效應制成的太陽能電池，使用范圍較廣。

光電池的結構

光電池也是光敏器件中一個種類，不僅能將光信號轉變為電信號，還能將光能轉換為電能儲存起來。

光電池由pN結構成，也猶如一個半導體二極管，但這個pN結的工作面積比一般二極管要大得多，目的是使光電池能接受更多光照。光電池通常惟有一面接受光的照射，稱為光電池的受光面。不接受光線照射的一面稱為背光面。光電池工作時能將光能轉化成電能形成電壓，電壓的正極多為受光面。

光電池是在光線照射下，筆直將光量轉變為電動勢的光學元件，它的工作原理是光生伏特效應。簡稱光伏效應。（光生伏特效應是光照使不平均半導體或平均半導體中光生電子和空穴，并在空間分開而出現電位差的現象。即將光能轉化成電能）在有光線用途時pN結就相當于一個電壓源。

硅光電池在無外加電壓時，光照引起的載流子遷移會在其兩端出現光生電動勢，即光伏效應硅。光電池的基本結構為pN結，受光照后，將出現一個由N區到p區的光生電流I1同時，由于pN結二極管的特性，存在正向二極管電流I2，此電流方向從p區到N區，與光生電流相反。硅光電池的理論模型是由一理想的電流源（光照出現光電流的電流源）、一個理想二極管一個并聯電阻和一個串聯電阻組成。

光電池的原理

物理原理

材料

（1）N型光電導體，多子是電子，少子是空穴。緊要是光子激發施主能級中的電子躍遷到導帶中去，電子為緊要載流子，新增了自由電子的濃度。

（2）p型光電導體，多子是空穴，少子是電子。緊要是光子激發價帶中的電子躍遷到受主能級，與受主能級中的空穴復合，而在價帶中留有空穴，作為緊要載流子參加導電，新增了空穴的濃度。

光伏效應

（1）pN結存在一個由N指向p的內建電場，熱平衡時，多數載流子的擴散和少數載流子的漂移用途相抵消，沒有電流通過pN結。

（2）當有光照射pN結時，樣品對光子的本征和非本征吸收都將出現載流子，但是，由于p區和N區的多數載流子都被勢壘阻擋而不能穿過pN結，因而惟有本征吸收所激發的少數載流子才能引起光伏效應。

（3）當有光照射時，光線足以透過p型半導體入射到pN結。關于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發出電子、空穴、以及電子——空穴對。p區的光生電子和N區的光生空穴以及結合的電子——空穴對擴散到結電場附近時，在內建電場的用途下漂移過結，電子——空穴對被阻擋層的內建電場分開，光生電子和孔穴被分別拉到N區和p區，從而在阻擋層兩側形成電荷的堆積，出現內建電場的光生電場，使得內建電場的勢壘降低，降低量等于光生電勢差。光生電勢差所出現的光生電流方向和結電流的方向相反，而與p—N結反向飽和電流同向。

發電原理

光電池實質是一個大面積pN結，結構如圖所示，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以新增透光，減小反射，下電極是一層襯底鋁。當光照射pN結的一個面時，電子空穴對迅速擴散，在結電場用途下建立一個與光照強度有關的電動勢，一般可出現0.2V～0.6V電壓，50mA電流。

光電池的緊要參數

光電池常用參數并不多，緊要有開路電壓、短路電流、尺寸和效率。

開路電壓

是指光電池受光照射時出現的無負載輸出電壓，用Uco表示。光電池型號不同，開路電壓一般不同，如2CR31型光電池的開路電壓為Uco=0.5V。

若將接在光電池兩端的外電路斷開，那么被p一N結分開的所有過剩載流子便會積累在p一N結附近，并以最大的可能補償自建電場，出現最大的光生電動勢。

短路電流

是指光電池在陽光照射下正負極短路時的電流，用Isc表示。如2CR31型光電池的短路電流為Isc=15mA。

倘若把光電池短路，被p一N結分開的過剩載流子便能通過短路電路流通出現最大可能的短路電流。p一N結附近不會有過剩載流子積累，光生電動勢為零。

工作電壓和工作電流

若光電池通過負載電阻接通，被p一N結分開的過剩載流子中一部分把自己的能量消耗于降低自建電場，也就是建立工作電壓，另一部分載流子流過負載形成工作電流。