光電轉(zhuǎn)換簡介

　　在眾多太陽光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽光電池、多晶硅太陽光電池及非晶硅太陽光電池等三種太陽光電池主要功能在將光能轉(zhuǎn)換成電能，這個現(xiàn)象稱之為光伏效應(yīng)(photovoltaiceffect)。光伏效應(yīng)在19世紀(jì)即被發(fā)現(xiàn)，早期用來制造硒光電池，直到晶體管發(fā)明后半導(dǎo)體特性及相關(guān)技術(shù)才逐漸成熟，使太陽光電池的制造變?yōu)榭赡堋?/span>

　　光電轉(zhuǎn)換原理

　　被攝景物通過攝像機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)在光電靶上成像，由于光像各點(diǎn)亮度不同，因而使靶面各單元受光照的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致靶面各單元的電阻值不同。與較亮像素對應(yīng)的靶單元阻值較小，與較暗像素對應(yīng)的靶單元阻值較大，這樣一幅圖像上各像素的不同亮度就表現(xiàn)為靶面上各單元的不同電阻值，原來按照明暗分布的“光像”就變成了相應(yīng)的“電像”。

　　從電子槍陰極發(fā)出的電子，在電子槍電場作用下高速射向靶面，并在偏轉(zhuǎn)磁場作用下按照掃描規(guī)律掃過靶面上的各個單元。當(dāng)電子束接觸到靶面某個單元時，使陰極、光電靶、負(fù)載電阻RL及電源E構(gòu)成一個回路。在負(fù)載RL中有電流流過，其電流大小取決于光電靶在該單元的電阻值大小。光照強(qiáng)處對應(yīng)阻值較小，流過負(fù)載RL的電流就較大，因而RL兩端產(chǎn)生的壓降也就較大。負(fù)載電阻RL上形成電壓就是攝像管輸出的圖像信號。

　　光電轉(zhuǎn)換過程(圖像的攝取過程)：被攝景物通過攝像機(jī)的光學(xué)鏡頭在光電靶上成像，被電子束將這幅圖像分解為像素，同時把各個像素的亮度轉(zhuǎn)變?yōu)樵谪?fù)載電阻RL上大小不同的電壓降，從而形成攝像管輸出信號。

　　光電效應(yīng)

　　當(dāng)電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時并不穩(wěn)定，很快就會把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為空穴。自由電子可能會因?yàn)槟Σ粱蚺鲎驳纫蛩負(fù)p失能量，最后受到空穴的吸引而復(fù)合。例如，硅的最外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當(dāng)硅最外層電子吸收到的光能量超過1.1ev時將會產(chǎn)生自由電子及空穴，稱之為光生電子空穴對(light-generatedelectron-holepairs)。電子空穴對的數(shù)目越多導(dǎo)電的效果也越好，因?yàn)楣馐沟脤?dǎo)電效果變好的現(xiàn)象稱之為光導(dǎo)效應(yīng)(photoconductiveeffect)。

　　自由電子與空穴的多寡對電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與空穴可以使導(dǎo)電性增加，同時也可以使輸出電流增加，因此可以推測陽光越強(qiáng)時生成的自由電子與空穴越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產(chǎn)生自由電子與空穴，將會因?yàn)槟Σ良芭鲎驳纫蛩厥ツ芰?，最后自由電子會與空穴復(fù)合而無法利用。為更有效的利用由電子與空穴來產(chǎn)生電流，因此必須加入電場使自由電子與空穴分離進(jìn)而產(chǎn)生電流。產(chǎn)生電場的方式很多如PN接面、金屬半導(dǎo)體接面等，其中最常用的方式為PN接面。

　　提高自由電子濃度常用的方法是在硅中加入少量的五價原子，五價原子的四個價電子與硅鍵結(jié)后剩下一個價電子，使剩下的價電子游離只需要0.05ev，比原來的1.1ev小很多，在室溫超過200度k時即可使所有雜質(zhì)產(chǎn)生自由電子，同樣在硅中加入少量的三價原子可以提高空穴濃度。在硅中加入五價原子后稱之為N型半導(dǎo)體，加入三價原子后稱之為P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體雖然帶有自由電子或空穴但本身仍然保持電中性，如果N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體內(nèi)雜質(zhì)濃度均勻分布則內(nèi)部沒有電場存在。若將N型半導(dǎo)體及P型半導(dǎo)體接和在一起，會因?yàn)閮蛇呑杂呻娮优c空穴的濃度不同產(chǎn)生擴(kuò)散。N型半導(dǎo)體中自由電子濃度較高，因此自由電子由N型半體向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，同樣的空穴會由P型半導(dǎo)體向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散。擴(kuò)散的結(jié)果使得接面附近的N型半導(dǎo)體失去電子得到空穴而帶正電，P型半導(dǎo)體失去空穴得到電子而帶負(fù)電。因?yàn)殡姾擅芏炔痪虼嗽诮用娓浇a(chǎn)生電場，如果有自由電子或空穴在電場內(nèi)產(chǎn)生，則會因?yàn)槭艿诫妶龅淖饔枚苿?，自由電子向N型半導(dǎo)體移動，而電洞向P型半導(dǎo)體移動，因此這個區(qū)域缺乏自由電子或空穴而稱之為空乏區(qū)。當(dāng)光照射在空乏區(qū)內(nèi)將硅原子的電子激發(fā)產(chǎn)生光生電子與空穴對，電子與空穴對會因?yàn)殡妶鲎饔枚闺姵貎?nèi)的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即可利用電池內(nèi)的電力，這即是所謂的光電效應(yīng)，也是太陽光電池的轉(zhuǎn)換原理。

　　光電轉(zhuǎn)換材料

　　是通過光生伏特效應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的材料。主要用于制作太陽能電池。太陽是一個巨大的能源庫，地球上一年中接收到的太陽能高達(dá)1.8×10 (18次方) 千瓦時。研究和發(fā)展光電轉(zhuǎn)換材料的目的是為了利用太陽能。光電轉(zhuǎn)換材料的工作原理是：將相同的材料或兩種不同的半導(dǎo)體材料做成PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)，當(dāng)太陽光照射到PN結(jié)電池結(jié)構(gòu)材料表面時，通過PN結(jié)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池對光電轉(zhuǎn)換材料的要求是轉(zhuǎn)換效率高、能制成大面積的器件，以便更好地吸收太陽光。已使用的光電轉(zhuǎn)換材料以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。用單晶硅制作的太陽能電池，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)20%，但其成本高，主要用于空間技術(shù)。多晶硅薄片制成的太陽能電池，雖然光電轉(zhuǎn)換效率不高(約10%)，但價格低廉，已獲得大量應(yīng)用。此外，化合物半導(dǎo)體材料、非晶硅薄膜作為光電轉(zhuǎn)換材料，也得到研究和應(yīng)用。

　　影響光電轉(zhuǎn)換因素

　　太陽光電池之所以能將光能轉(zhuǎn)換成電能主要有兩個因素：

　　1、光導(dǎo)效應(yīng)(photoconductive effect);

　　2、內(nèi)部電場;

　　因此在選取太陽能電池的材料時，必須要考慮到材料的光導(dǎo)效應(yīng)及如何產(chǎn)生內(nèi)部電場。

　　半導(dǎo)體光電器件是把光和電這兩種物理量聯(lián)系起來，使光和電互相轉(zhuǎn)化的新型半導(dǎo)體器件。光電器件主要有：利用半導(dǎo)體光敏特性工作的光電導(dǎo)器件、利用半導(dǎo)體光伏打效應(yīng)工作的光電池和半導(dǎo)體發(fā)光器件等。

　　一、 光電導(dǎo)器件

　　半導(dǎo)體材料的光敏特性，即當(dāng)半導(dǎo)體材料受到一定波長光線的照射時,其電阻率明顯減小,或說電導(dǎo)率增大的特性。這個現(xiàn)象也叫半導(dǎo)體的光電導(dǎo)特性。利用這個特性制作的半導(dǎo)體器件叫光電導(dǎo)器件。半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導(dǎo)體原子 逸出來的電子及其留下的空位----- 空穴。電從原子中逃逸出來,必須吉兇服原子的束縛而做功，而光照正是向電子提供能量,使它有能力逃逸出來的一種形式。因此，光照可以改變載流子的濃度,從而必變半導(dǎo)體的電導(dǎo)率。光電導(dǎo)器件主要有光敏電阻、光電二極管光電三極管等。

　　1、光敏電阻

　　這是一種半導(dǎo)體電阻。在沒有光照時,電阻很大;在一定波長范圍的光照下,電阻值明顯變小。制作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銦、硫化鉛、硒化鎘、硒化鉛等。硫化鎘光敏電阻對可見光敏感,用硫化鎘單晶制造的光敏電阻對X射線、γ射線也敏感;硫化鉛和銻化銦對紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以制成各種光探測器。感光面積大的光敏電阻,可以獲得較大的明暗電阻差。如國產(chǎn)625-A型硫化鎘光敏電阻,其光照電阻小于50千歐,暗電阻大于50兆歐。

　　2、光電二極管

　　光電二極管的管芯也是一個PN結(jié),只是結(jié)面積比普通二極管大,便于接收光線。但和普通二極管不同,光電二極管是在反向電壓下工作的。它的暗電流很小，只有0-1微安左右。在光線照射下產(chǎn)生的電子----空穴對叫光生載流子，它們參加導(dǎo)電會增大反向飽和電流。光生載流子的數(shù)量與光強(qiáng)度有關(guān)，因此，反向飽和電流會隨著光強(qiáng)的變化而變化，從而可以把光信號的變化轉(zhuǎn)為電流及電壓的變化。光電二極管主要用于近紅外探測器及光電轉(zhuǎn)換的自動控制儀器中，還可以作為光導(dǎo)纖維通信的接收器件。

　　3、光電三極度管

　　光電三極管的結(jié)構(gòu)與普通三極度管相同,但基區(qū)面積較大,便函于接收更多的入射光線。入射光在基區(qū)激發(fā)出電子----空穴時，形成基極電流，而集電極電流是基極電流β倍，因此光照便能有效地控制集電極電流。光電三極管比光電二極管有更高的靈敏度。

　　二、光伏打器件----硅光電池

　　半導(dǎo)體PN結(jié)在受到光照射時能產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)，叫光伏打效應(yīng)。硅光電池就是利用光伏打效應(yīng)將光能直接換成電能的半導(dǎo)體器件。

　　硅光電池就是一個大面積PN結(jié)。光照可以使薄薄的P型區(qū)產(chǎn)生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴，會向PN結(jié)方向擴(kuò)散。擴(kuò)散過程中，一部分電子和空穴復(fù)合消失,大部分?jǐn)U散到PN結(jié)邊緣。在結(jié)電場的作用下，大部分光生空穴被電場推回P型區(qū)而不能穿越PN結(jié);大部分光生電阻卻受到結(jié)電場的加速作用穿越PN結(jié)，到達(dá)N型區(qū)。隨著光生電子在N型區(qū)的積累及光生空穴在P型號區(qū)的積累，會在在PN對的兩側(cè)產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電位差，這就是光生電動勢。當(dāng)光電池兩端接有負(fù)載時，將有電流流過負(fù)載,起著電池的作用。

　　硅光電池的用途極度為廣泛。主要用于下述幾個方面：

　　能源----硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛(wèi)星、宇宙飛船、航標(biāo)燈、無人氣象站等設(shè)備的電源;也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。

　　光電檢測器件----用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。

　　光電控制器件----用作光電開關(guān)等光電控制設(shè)備的轉(zhuǎn)換器件。

　　三、半導(dǎo)體發(fā)光器件

　　半導(dǎo)體發(fā)光器件是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的器件。它包括發(fā)光二極管、紅外光源、半導(dǎo)體發(fā)光數(shù)字管等。

　　1、發(fā)光二極管

　　發(fā)光二極管的管芯也是一個PN結(jié),并具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加上正向電壓時,電子由N區(qū)渡越(擴(kuò)散)到空間電荷區(qū)與空穴復(fù)合而釋放出能量。這些能量大部分以發(fā)光的形式出現(xiàn)，因此，可以直接將電能轉(zhuǎn)換成光能。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色(波長)，困半導(dǎo)體材料及摻雜成分不同而不同。常用的有黃、綠、紅等顏色的發(fā)光二極管。

　　發(fā)光二極管工作電壓很低(1 5-3伏),工作電流很小(10-30毫安),耗電極省?？勺鳠艄庑盘栵@示、快速光源,也呆同時起整流和發(fā)光兩種作用。

　　2、發(fā)光數(shù)字管

　　把磷化鎵發(fā)光管或磷化鎵發(fā)光管的管芯制成條狀,用七條發(fā)光管組成七段式數(shù)字顯示管，可以顯示從0到9的十個數(shù)字。這種半導(dǎo)體數(shù)字顯示管的優(yōu)點(diǎn)是體積小、耗電省、壽命長、響應(yīng)速度快。它可以作為各種小型計算器及數(shù)字顯示儀表的數(shù)字顯示用。

　　3、光電耦合器

　　把半導(dǎo)體發(fā)光器件和光敏器件組合封閉裝在一起就組成了具有電---光---電轉(zhuǎn)換功能的光電耦合器。顯然,給耦合器輸入一個電信號，發(fā)光器件就發(fā)光,光被光接收器件接收后，又轉(zhuǎn)成換成電信號輸出。因?yàn)檩斎胫鬏敵鲋g用光進(jìn)行耦合。所以輸出端對輸入端沒有反饋，具有優(yōu)良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關(guān)，這種光電開關(guān)不存在繼電器中機(jī)械點(diǎn)易疲勞的問題，可靠性很高。

　　光電轉(zhuǎn)換器件原理

　　傳感器技術(shù)中很重要的一類稱為光傳感器。光傳感器通常是指紫外到紅外波長范圍的傳感器，其類型可分為量子探測器和熱探測器兩類。本實(shí)驗(yàn)將介紹常用的量子探測器或稱光子探測器，它是利用材料的光電效應(yīng)制作成的探測器，故也稱為光電轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)有響應(yīng)度(靈敏度)、光譜響應(yīng)范圍、響應(yīng)時間和可探測的最小輻射功率等。

　　光電轉(zhuǎn)換器件主要是利用光電效應(yīng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。自光電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至今，光電轉(zhuǎn)換器件獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前各種光電轉(zhuǎn)換器件已廣泛地應(yīng)用在各行各業(yè)。常用的光電效應(yīng)轉(zhuǎn)換器件有光敏電阻、光電倍增器、光電池、PIN管、CCD等。

　　光電倍增器是把微弱的輸入轉(zhuǎn)換為電子，并使電子獲得倍增的電真空器件。當(dāng)光信號強(qiáng)度發(fā)生變化時，陰極發(fā)射的光電子數(shù)目相應(yīng)變化，由于各倍增極的倍增因子基本上保持常數(shù)，所以陽極電流亦隨光信號的變化而變化，此即光電倍增管的簡單工作過程。由此可見，光電倍增管的性能主要由光陰極、倍增極及極間電壓決定。光電陰極受強(qiáng)光照射后，由于發(fā)射電子的速率很高，光電陰極內(nèi)部來不及重新補(bǔ)充電子，因此使光電倍增管的靈敏度下降。如果入射光強(qiáng)度太高，導(dǎo)致器件內(nèi)電流太大，以至于電陰極和倍增極因發(fā)射二分解，就會造成光電倍增管的永久性波壞。因此，使用光電倍增管時，應(yīng)避免強(qiáng)光直接入射。光電倍增管一般用來測弱光信號。

　　光電池是把光能直接變成電能的器件，可作為能源器件使用，如衛(wèi)星上使用的太陽能電池。它也可作為光電子探測器件。

　　光電二極管有耗盡層光電二極管和雪崩光電二極管兩種。半導(dǎo)體pn結(jié)區(qū)附近成為耗盡層，該層的兩側(cè)是相對高的空間電荷區(qū)，而耗盡層內(nèi)通常情況下并不存在電子和空穴。只有當(dāng)光照射pn結(jié)時才能使耗盡層內(nèi)產(chǎn)生載流子(電子-空穴對)，載流子被結(jié)內(nèi)電場加速形成光電流。利用該原理制成的光電二極管稱為耗盡層光電二極管。耗盡層光電二極管有pin層、pn層、金屬-半導(dǎo)體型、異質(zhì)型等

　　CCD(Charge Coupled Device)即電荷耦合器件，通過輸入面上光電信號逐點(diǎn)的轉(zhuǎn)換、儲存和傳輸，在其輸出端產(chǎn)生一時序信號。隨著科技的進(jìn)步，CCD技術(shù)日臻完善，已廣泛用于安全防范、電視、工業(yè)、通信、遠(yuǎn)程教育、可視網(wǎng)絡(luò)電話等領(lǐng)域。[4]

　　太陽能電池

　　材料選取

　　光照射在物質(zhì)上時，部份的光會被物質(zhì)吸收，部份的光則經(jīng)由反射或穿透等方式離開物質(zhì)，選取太陽光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出功率增加。選取太陽光電池材料的第二考量是光導(dǎo)效果，欲選取光導(dǎo)效果佳的材料首先必須了解太陽光的成分及其能量分布狀況，進(jìn)而找出適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作為太陽光電池的材料。

　　應(yīng)用

　　隨著傳統(tǒng)燃料能源的減少以及對環(huán)境造成的危害也越來越嚴(yán)重 ,能源問題日益成為制約國際社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，越來越多的國家制定了大力發(fā)展太陽能的計劃。例如，美國的“ 光伏建筑計劃”、歐洲的“百萬屋頂光伏計劃” ，日本的“朝日計劃 ” ，以及我國發(fā)展的“光明工程 ”等都極大地促進(jìn)了太陽能的發(fā)展。當(dāng)前太陽能電池產(chǎn)品類型主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半導(dǎo)體和疊層太陽能電池等，主要應(yīng)用在以下領(lǐng)域。

　　1、用戶太陽能電源：用于邊遠(yuǎn)無電地區(qū)，如高原、海島、牧區(qū)、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機(jī)等;3-5kw家庭屋頂并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng);光伏水泵，解決無電地區(qū)的深水井飲用、灌溉;

　　2、交通領(lǐng)域：如航標(biāo)燈、交通、鐵路信號燈、交通站、光纜維護(hù)站、廣播、通訊、尋呼電源系統(tǒng)、農(nóng)村微波電話光伏系統(tǒng)、小型通信機(jī)、士兵供電等;

　　3、石油、海洋、氣象領(lǐng)域：石油管道和水庫閘門陰極保護(hù)太陽能 電源系統(tǒng)、石油鉆井平臺生活及應(yīng)急電源、海洋檢測設(shè)備、氣 象/水文觀測設(shè)備等;

　　4、太陽能制氫加燃料電池的再生發(fā)電系統(tǒng);海水淡化設(shè)備供電;衛(wèi)星、航天器、空間太陽能電站等。[5]

　　發(fā)展前景

　　未來超高效率太陽能電池的發(fā)展方向主要有以下幾個方面：

　　1、多接面、多能隙、多能帶結(jié)構(gòu)，使用不同能隙的材料來吸收不同波長的光子。減少載子能帶內(nèi)的能量釋放，大幅度提高太陽能電池的效率;

　　2、一個光子產(chǎn)生多個電子一空穴對，增加輸出的光 電流，從而提高太陽能 電池的效率;

　　3、熱載子太陽能電池，提高載子溫度能夠大幅度提高太陽能電池的效率;

　　4、黑體輻射的頻譜轉(zhuǎn)換，將太陽光改變成理想的光源，減少載子能帶內(nèi)的能量釋放，提高太陽能電池的效率;

　　5、新材料如染料感光太陽能電池、聚合物和有機(jī)物材料的太陽能電池等;

　　6、熱光伏特效應(yīng)，將不能進(jìn)行光伏效應(yīng)的太陽能通過晶格振動的多聲子吸收轉(zhuǎn)化為可以進(jìn)行光伏效應(yīng)的光能 ，從而提高太陽能電池的效率。