3.2 光生伏特器件

1. 3.2 光生伏特器件

2. 光电池 光电二极管 光电三极管 光生伏特器件 发光器件 光电耦合器件 光电位置敏感器件 光生伏特器件：利用光生伏特效应制造的光电敏感器件。 也称结型光电器件

3. 硒光电池： 硅光电池： 光电池 （无机） 砷化镓光电池： 锗光电池 3.2.1 光电池 光电池：利用光生伏特效应把光能 直接转变成电能的器件， 又称为太阳能电池。 光电转换效率低(0.02％)、寿命短，适 于接收可见光，适宜制造照度计。 价格便宜，转换效率高，寿命长， 适于接受红外光。 应用最广、最有发展前途 转换效率比硅光电池稍高，光谱响应 特性与太阳光谱最吻合。 工作温度最高，耐受宇宙射线的辐射

4. 输出电极外形 结构示意图 工作原理图 光电池符号 1. 光电池的基本结构和工作原理

5. I 无光照 O VOC V 有光照 ISC 2. 光电池的特性参数 (1)伏安特性：输出电流和输出电压随负载电阻变化的曲线 以硅光电池为例，有光照和无光照时的伏安特性曲线： 无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。 有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。 ★曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。

6. I O VOC V ISC 开路电压VOC——光电池的外回路断开时或电流为零时，器件 上施加电压的大小。 数值最大的光生电动势 短路电流ISC——光电池上施加电压为零时电池外回路上的电流。 最大数值的光生电流

7. I Rd 输出电压 等效二极管反向饱和电流 Id IL 光电池等效电路 VD RL 等效电阻Rd很小，可忽略： 光电流：IL＝SIL L——入射光照度（lx) SI——光电灵敏度（mA/lx)

8. 当V=0 ，得到短路电流: 当I=0，得到开路电压:

9. Voc/V Isc/mA 103 开路电压 5 0.5 102 10Ω 4 0.4 102Ω 101 3 0.3 J/μA·mm-2 103Ω 2 0.2 100 短路电流 1 0.1 10-1 0 4 2 6 8 10 10-2 L/klx 104 102 103 100 101 E/lx 硅光电池VOC、ISC随 入射光照度变化特性 光电池在不同负载电阻下的光电特性 开路电压输出：非线性，灵敏度高 开关测量 短路电流输出：线性好，灵敏度低 线性检测 VOC、ISC随入射光照度变化特性:

10. Voc /mV ISC/mA 120 600 Voc 100 500 400 80 300 60 ISC 40 200 100 20 0 100 200 300 A/(mm2) 受光面积的影响 VOC、ISC随受光面积变化特性

11. VOC/V ISC/mA UL 400 100 PL 80 200 IL 40 0 RM 200 400 RL/Ω (2)光电池的负载特性（输出特性） 设负载为RL，流过电流为IL，电压降为UL，则负载上电功率： PL＝ULIL 当RL=0（短路）时，UL=0， IL=ISC，PL=0； 当RL=∞（开路）时， UL=VOC， IL=0，PL=0； 0＜RL＜∞时，PL＞0。 当RL=RM时，最大输出功率PL=Pmax RM——最佳负载

12. 填充因子：光电池能提供的最大功率与ISCVOC之比，它说明了该光电池能够对外提供的最大输出功率的能力。填充因子：光电池能提供的最大功率与ISCVOC之比，它说明了该光电池能够对外提供的最大输出功率的能力。 光电转换效率：光电池的输出功率与入射光功率之比定义为光电 池的光电转换效率（或量子效率），记为η

13. VOC/ mV 600 ISC/ mA VOC 50 40 400 ISC 30 20 200 10 120 0 40 80 t / ºC 光电池的温度特性 (3) 温度特性 光电池的温度特性是指开路电压VOC和短路电流ISC随温度变化的关系。 T↗： VOC ↘，ISC↗ 光电池的光谱响应向长波方向移动 用于探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移而进行补偿。

14. (4) 频率特性 光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。 由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。

15. 单晶硅太阳能电池：实验室最高转换效率为23%,工业规单晶硅太阳能电池：实验室最高转换效率为23%,工业规 模生产转换效率为15% 多晶硅太阳能电池：价格低廉,但是它存在着较多的晶粒 间界。实验室最高转换效率为18%, 工业规模生产转换效率为10%。 非晶硅太阳能电池：可见光吸收系数大、沉积温度低、 成本低廉、能够实现大面积沉积， 但稳定性较差。 3. 光电池的应用 ①光电探测器件 特点：光敏面积大，频率响应高，光电流随光照度线性变化 光电读数、光电开关、光栅测量…… ②将太阳能转化为电能 硅光电池：实际应用中，经串联、并联组成电池组

16. 单晶硅 非晶硅 多晶硅 不同硅光电池表面形态

18. 有机光电池 2000 Nobel Laureate in Chemistry “for the discovery of conductive polymers” Konarka公司制造的柔性太阳电池

20. 2007年7月，Heeger研究小组又在《SCIENCE》上报道了以PCPDTBT/PCBM体系和P3HT/PC70BM体系制备得到的串联聚合物固体薄膜太阳电池的能量转换效率超过了6 % Kim, J. Y.; Lee, K.; Coates, N. E.; Moses, D.; Nguyen, T. Q.; Dante, M.; Heeger, A. J., Efficient tandem polymer solar cells fabricated by all-solution processing. Science 2007, 317, (5835), 222-225.

21. 3.2.2 光电二极管与光电三极管 1.光电二极管 光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。 不同的是： ①光电二极管电阻率（1000Ω/cm）比光电池电阻（0.1～ 0.01Ω/cm）高； ②光电池在零偏置下工作，光电二极管在反向偏置下工作； ③光电二极管结面积小，因此频率特性特别好； ④光电二极管光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光 电池小，一 般为几μA到几十μA。 分类： 按材料分，有硅、锗、砷化镓、锑化铟光电二极管等。 按结构分，有PN结、PIN结、异质结、肖特基势垒之分。

22. 2DU型光电二极管的原理结构图 小箭头：正向电流的方向 前极为光照面，后极为背光面 光电二极管的电路符号 (1)光电二极管的基本结构和工作原理 ①基本结构 光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型硅为衬底的2CU型两种结构形式。

24. 光电二极管的工作原理图 ②工作原理 无光照，反向偏压：内建电场被加强，PN结空间电荷区变宽，势垒增大，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流——暗电流 有光照时：PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区， N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。

25. 40 30 IL/uA 2CUA 2CU2A 20 2CU5 10 0 400 600 800 1000 200 E/lx 光电二极管的光电流 IL 与照度之间呈线性关系，适合检测等方面的应用。

26. 重新定义：电流与电压均以 PN结内建电场的方向为正向 光电二极管伏安特性 (2)光电二极管的伏安特性与电流方程 ①伏安特性 较高反偏压： ▲增加了耗尽层的宽度和加强内建电场，电子-空穴在耗尽层复 合机会少，提高光敏二极管的灵敏度； ▲增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频率响应特性 ▲光生载流子的收集接近极限，光电流饱和，可视为恒流源； ▲但是不能无限地加大反向偏压，以免引起击穿。

27. ②光电二极管的电流方程 在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，其电流方程为 ： 当光辐射作用到光电二极管上时，光电二极管的全电流方程为 式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。

28. 2DUL 1.0 2DU 相对响应 0.6 0.2 0.65 0.85 1.05 λ/μm 2DU和2DUL系列光电二极管的光谱响应 (3)光谱特性 光电二极管的光谱响应：以等功率的不同单色辐射波长的光作用 于光电二极管时，其响应程度或电流灵 敏度与波长的关系。 典型硅光电二极管光谱响应长波限为1.1μm左右，短波限接近0.4μm，峰值响应波长为0.9μm左右。

29. 0.5 ID/uA 2CU 1A-13 2CU5 0.05 0.01 30 50 70 90 T/ºC (4)温度特性 由于反向饱和电流对温度的强烈依赖性，光电二极管的暗电流对温度的变化非常敏感，实际应用时考虑温度的影响。

30. c e 电路符号： NPN型光电三极管的原理结构图 2.光电三极管 光电三极管的两种基本结构： 用N型硅材料为衬底制作的NPN结构，称为 3DU型； 用P型硅材料为衬底制作的PNP结构，称为3CU型。 (1)光电三极管的工作原理

32. 等效于一个光电二极管与一般三极管基极-集电极的并联。等效于一个光电二极管与一般三极管基极-集电极的并联。 光电三极管的工作原理分为两个过程： 一是光电转换，起光电二极管的作用； 二是光电流放大，起三极管放大作用。 光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但由于电流放大倍数的非线性，其线性较差，在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。

33. 集成光电器件 ： 为提高光电三极管的增益，减小体积，常将光电二极管、光电三极管及三极管制作到一个硅片上构成集成光电器件。

34. 光电三极管在不同光照下的伏安特性曲线 二极管 (2) 伏安特性 与光电二极管伏安特性曲线对比，有： 光电流：光电三极管在mA量级，光电二极管在μA量级 零偏压：光电三极管没有输出，光电二极管仍有光电流输出 非线性：工作电压较低时，光电三极管的非线性较严重 （饱和区） 曲线偏斜：光电三极管曲线向上偏斜，间距增大——β随光 流增大

35. 电流源Ip 基-射结电电阻rbe 光电三极管输出电路的微变等效电路： 光电二极管 等效电路 电容Cbe 基-集结电容Cbc 电流源Ic 光电三极管 等效电路 基射结电阻Rce 电容Cce 负载电阻RL (3) 频率特性 光电三极管的频率特性与PN结的结构及偏置电路等参数有关

36. 光电三极管的时间响应由以下四部分组成： ① 光生载流子对发射结电容Cbe和集电结电容Cbc的充放电时间； ② 光生载流子渡越基区所需要的时间； ③ 光生载流子被收集到集电极的时间； ④ 输出电路的等效负载电阻RL与等效电容Cce所构成的RC时间； 总时间常数为上述四项和。 故光电三极管的响应时间比光电二极管长的多。

37. 4 3 IL/mA 3DU33 光电二极管和光电三极管的温度特性： 2 0.5 2CU 1 ID/uA 3DU 11-13 0 2CU 1A-13 30 50 70 90 110 2CU5 0.05 T/ºC 0.01 30 50 70 90 T/ºC (4) 温度响应 温度特性反映了光电三极管的暗电流及光电流与温度的关系 ▪光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多 ▪温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大 ▪精密测量时，应采取恒温或补偿措施

38. +VC +VC 高灵敏 继电器 R1 J J R2 3DU33 3DG6 A R2 V 3DG12 A V R1 光电三极管常闭型开关电路 光电三极管常开型开关电路 (5) 光电三极管的应用

39. +30V R2 1MΩ SN72741 TIL63 TIL78 + A V R4 2.2M Ω － R1 1M Ω R3 1M Ω IN914 A 光电三极管弱光开关电路

40. 3.光电倍增管 光电倍增管（Photo-multiple tube简称为PMT）是一种真空光电发射器件，它主要由光电阴极K、倍增极D和阳极A三部分组成。 光电倍增光工作原理 光电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。