【正文】 硅太陽能電池包括 單晶硅 太陽能電池、 多晶硅 太陽能電池、非晶硅 太陽能電池。 ? 單晶硅太陽能電池在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為 23%,而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池 ,其效率為 15%。 ? 多晶硅半導(dǎo)體材料的價格比較低廉 ,但是由于它存在著較多的晶粒間界而有較多的弱點。多晶硅太陽能電池的實驗室最高轉(zhuǎn)換效率為 18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為 10%。 非晶硅太陽能電池 ? 非晶硅薄膜太陽能電池組件的制造采用薄膜工藝 , 具有較多的優(yōu)點 ,例如 :沉積溫度低、襯底材料價格較低廉 ,能夠?qū)崿F(xiàn)大面積沉積。 ? 非晶硅的可見光吸收系數(shù)比單晶硅大 ,是單晶硅的 40倍 ,1微米厚的非晶硅薄膜 ,可以吸收大約 90%有用的太陽光能。 ? 非晶硅太陽能電池的穩(wěn)定性較差 , 從而影響了它的迅速發(fā)展 。 化合物太陽能電池 ? 三五族化合物電池和二六族化合物電池。 ? 三五族化合物電池主要有 GaAs電池、 InP電池、GaSb電池等 。 ? 二六族化合物電池主要有 CaS/CuInSe電池、CaS/CdTe電池等。 ? 在三五族化合物太陽能電池中 ,GaAs電池的轉(zhuǎn)換效率最高 ,可達 28%。 GaAs 化合物太陽能電池 ? Ga是其它產(chǎn)品的副產(chǎn)品 ,非常稀少珍貴 。As 不是稀有元素 ,有毒。 ? GaAs化合物材料尤其適用于制造高效電池和多結(jié)電池 ,這是由于 GaAs具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率。 ? GaAs 化合物太陽能電池雖然具有諸多優(yōu)點 ,但是 GaAs材料的價格不菲 ,因而在很大程度上限制了用 GaAs電池的普及。 ? 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(fā)電；⑤能源質(zhì)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(fā)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(xiàn)太陽能發(fā)電同現(xiàn)在的電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。 結(jié)構(gòu)： ? 光電二極管與普通二極管一樣有一個 PN結(jié)，屬于單向?qū)щ娦缘姆蔷€形元件。外形不同之處是在光電二極管的外殼上有一個透明的窗口以接收光線照射，其 PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射 ,實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 ? 為了獲得盡可能大的光生電流，需要較大的工作面，即 PN結(jié)面積比普通二極管大得多，以擴散層作為它的受光面。 ? 為了提高光電轉(zhuǎn)換能力， PN結(jié)的深度較普通二極管淺。光敏二極管符號如圖。 光電二極管（光敏二極管 ,PD: PhotoDiode） P N 光 光敏二極管符號 光電二極管和光電池一樣，其 基本結(jié)構(gòu)也是一個 PN結(jié) 。它和光電池相比，重要的不同點是 結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好 。 光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾 μA 到幾十 μA 。 按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。 按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光電二極管。 國產(chǎn)硅光電二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為 2CU和 2DU兩種系列。 2CU系列以 NSi為襯底， 2DU系列以 PSi為襯底。 2CU系列的光電二極管只有兩條引線，而2DU系列光電二極管 有三條引線 。 鍺光敏二極管有 A， B， C， D四類；硅光敏二極管有2CU1A～ D系列、 2DU1～ 4系列。 光敏二極管在電路中一般是處于 反向工作狀態(tài) ， 如圖所示 。 RL 光 P N 光敏二極管接線 光電二極管的工作原理 N P 光 + _ 外加反向偏壓 符號 原理： 半導(dǎo)體 PN結(jié) 無光時 高阻特性，微弱電流 — 暗 電流， μA ； 光照時 電子 → N,空穴 → P → 光電流 光照愈強 光電流愈大 即：無光照時，光敏二極管截止；有光照時，光敏二極管導(dǎo)通 光電流與照度之間呈 線性關(guān)系 。 在沒有光照射時，光敏二極管反向電阻很大，處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流； 受光照射時， PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子 空穴對，從而使 P區(qū)和 N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下， P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入 N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入 P區(qū)，從而使通過 PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流 。 光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。 光電二極管（光敏二極管） 光敏二極管符號 光敏二極管接法 光照特性 光譜特性 外加反向偏壓 ? 與光電池不同，光敏二極管一般在負偏壓情況下使用。 ? 大反偏壓的施加，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場，電子 —空穴在耗盡層復(fù)合機會少，提高光敏二極管的靈敏度。 ? 增加了耗盡層的寬度，結(jié)電容減小，提高器件的頻響特性。 ? 但是，為了提高靈敏度及頻響特性，卻不能無限地加大反向偏壓，因為它還受到 PN結(jié)反向擊穿電壓等因素的限制。 P N (1) 光電二極管的構(gòu)造原理 目前常使用的光電二極管是用鍺或硅制成 ,通常把 N型硅做基底，上面通過擴散法摻入硼，形成 P區(qū)，這就形成了 P+N結(jié)構(gòu)的光電二極管，其型號為 2CU，如圖 460所示。 圖 460 2CU結(jié)構(gòu)示意圖 當(dāng)用 P型硅作基底，上面通過擴散法摻入磷，形成 N區(qū)的構(gòu)造稱為 N+P結(jié)構(gòu)，其型號為 2DU。如圖 461所示。 為了減小漏電流所造成的暗電流，在周圍形成一環(huán)形磷擴散區(qū)，叫做保護環(huán)，能切斷漏電流，該電極叫做環(huán)極，接正點位。 也可不用環(huán)極。 圖 461 帶環(huán)極 2DU結(jié)構(gòu)示意 前極 環(huán)極 后極 前級 后級 環(huán)級 VA RL hν 等效電路 圖 462中給出了 2CU和 2DU的偏置電路 (反向電壓 )；圖 463給出了它們的等效電路和在第 Ⅰ 象限表示的伏安特性。 圖 462 光電二極管偏置電路 圖 463 光電二極管的等效電路和在第Ⅰ 象限表示的伏安特性 圖 445 光伏效應(yīng)器件的等效電路 圖 446 光伏器件的伏安特性曲線 比較圖 463與 445， 446 光電二極管與光電池的特性比較 1. 基本結(jié)構(gòu)相同，由一個 PN結(jié)； 2. 光電二極管的光敏面小，結(jié)面積小，頻率特性好，雖然光生電動勢相同 ,但光電流普遍比光電池小 ,為數(shù)微安。 3. 摻雜濃度：光電池約為 10161019/cm3，硅光電二極管 10121013/cm3， 4. 電阻率：光電池 /cm，光電二極管 1000Ω /cm。 5. 光電池零偏壓下工作，光電二極管反偏壓下工作。 光電二極管伏安特性 I U O E2E1E0 E0 E1 E3 ?加正向偏壓時， 表現(xiàn)為單向?qū)щ娦浴? ?作為光敏二極管使用時，需要加反向偏壓，當(dāng)有光照時會產(chǎn)生光電流，且光電流遠大于反向飽和電流。 ?反向偏壓可以減小載流子的渡越時間和二極管的極間電容。 反向偏壓較小時 反向電壓達到一定值時。 u i O 暗電流 E = 200 lx E = 400 lx (2) 光電二極管的主要特性 光電二極管的光特性 描述光電流 I隨入射光照度或通量變化的關(guān)系、即 I＝ f(E)或 I＝g(Φ) 。硅光電池二極管的光特性如圖 464所示。 圖 464 硅光電二極管的光特性 光電二極管的光譜特性 光敏二極管在較小負載電阻下，光電流與入射光功率有較好的線性關(guān)系。 光敏二極管的響應(yīng)波長與 GaAs激光管和發(fā)光二極管的波長一致，組合制作光電耦合器件。 光電二極管結(jié)電容很小，頻率響應(yīng)高，帶寬可達100kHz。 光電二極管的溫度特性 光電二極管的溫度特性主要是指反向飽和電流對溫度的依賴性，暗電流對溫度的變化非常敏感。 在外加電壓為 50V，入射照度不變的條件下，光電流隨工作溫度 T的變化曲線 I=f(T)如圖 466所示。 圖 466 光電二極管的溫度特性 圖 467 光電二極管的暗電流曲線 光電二極管的暗電流 當(dāng)無入射光照射時，硅、鍺兩光電二極管的暗電流 IΦ=0隨溫度變化的關(guān)系如圖 467所示。 圖 467 光電二極管的暗電流曲線 (2)硅光電二極管的性能 硅光電二極管可分為四種類型： I型為高靈敏度硅光電二極管；Ⅱ 型為快速響應(yīng)，靈敏度稍低的光電二極管； Ⅲ 型為大面積硅光二極管； Ⅳ 型為高速響應(yīng)，光譜擴展到紅外的硅光電二極管。 ① I型硅光電二極管的主要特性 : 探測率： =1012cmHz1/2W1； 量子效率： η ＞ 90％ (加增透膜 )； 工作溫度：環(huán)境溫度； 光敏面積：線度為 ～ ； 電容：與光敏面積成正比，隨溫升稍有增加 ② Ⅱ 型硅光電二極管的主要特性： 探測率： ＝ 6 1011cmHz1/2W1； 響應(yīng)時間： t≈3ns ； 光敏面積： 1mm2 ?pD??pD? ③ Ⅲ 型硅光電二極管的主要特性： 探測宰： D*(,270) ＝ 4 1012 cmHz1/2W1； 響應(yīng)時間： ≈ 10ns(UR＝ 10V， RL＝ 50Ω) ， 光敏面積： 2 2mm 5 5mm 10 10mm2 ④ Ⅳ 型硅光電二極管的主要特性： 探測率： (UR＝ 0， RL＝ 40MΩ) ＝ 5 1012 cmHz1/2W1； D* (UR＝ 60V， RL＝ 50Ω) ＝ 1012 cmHz1/2W1； 響應(yīng)時間： ≈ 2ns (UR＝ 60V， RL＝ 50Ω) ； 工作溫度：環(huán)境溫度； 光敏面積： 5 5mm2。 ?pD? 它們的光譜特性曲線如圖 468所示。 圖 468 各類硅光電二極管的光譜特性 (4) 光電二極管偏置電路的計算 利用光電二極管的伏安特性，按圖 462所示的光電二極管的偏置電路進行分析和計算。假設(shè)入射光照度 E＝ 100+100Sinωt(lx) ，為使負載 RL上輸出有 10V的電壓變化，求 RL相 E0值的大小，并畫出輸出電流和電壓的變化曲線。分析計算的步驟如下： ①按入射照度變化范圍可知，最小輸入照度為零，最大輸入照度為 200lx； ②畫出所用光電二極管的伏安特曲線； ③ 計算負載電阻 RL ； ④在曲線族上畫出照度的正弦變化曲線，并在相應(yīng)處畫出 i和 u隨時間變化的曲線。 光電二極管的典型應(yīng)用電路 應(yīng)用電路 E hν RL Vo RL +E Vo hν 高速光電二極管 PIN結(jié)光電二極管 是光電二極管中的一種 ： 它與一般光敏二極管的區(qū)別在于 P區(qū)和 N區(qū)之間增加了一層很厚的高電阻率的 本征半導(dǎo)體（ I）。 同時將 P層做得很薄。 在 PIN結(jié)上加較高的反偏電壓，使其耗盡層加寬，內(nèi)電場加強。這樣載流子在經(jīng)過 PIN結(jié)時被加速，大大減小了漂移時間，提高了響應(yīng)速度。 這樣， PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于本征層中，從而使 PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。時間常數(shù)變小，頻帶變寬。 由于 P層很薄，大量的光子被較厚的 I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流； 響應(yīng)速度快，靈敏度高，線性好， 用于光通訊，光測量 ? 選擇一定厚度的 I層，具有高速響應(yīng)特性。 ? I層所起的作用 :(1)為了取得較大的 PN結(jié)擊穿電壓，必須選擇高電阻率的基體材料，這樣勢必增加了串聯(lián)電阻，使時間常數(shù)增大，影響管子的頻率響應(yīng)。 ? 而 I層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可選擇低電阻率的基體材料。這樣不但提高了擊穿電壓，還減少了串聯(lián)電阻和時間常數(shù)。 ? (2)反偏下，耗盡層較無 i層時要大得多，從而使結(jié)電容下降，提高了頻率響應(yīng)。 PIN特點： 頻帶寬 ，可達 10GHz。