檢測與轉換技術第5章3

1、哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學電能量傳感器第三部分哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6壓電傳感器的應用壓電傳感器的應用例例1 1： 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器壓電式三向力傳感器壓電式三向力傳感器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例2 2： 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器Fdq11SPF電極結構電極結構預緊力預緊力哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例3 3：壓電引信：壓電引信壓電陶瓷：彈丸起爆裝置壓電陶瓷：彈丸起爆裝置破甲彈破甲彈哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例4 4：火炮膛內壓力測試：火炮膛內壓力測試 發(fā)射藥在膛內燃燒形成壓力完成炮

2、彈的發(fā)射。膛內壓力的大發(fā)射藥在膛內燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。膛內壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設計有小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設計有著密切關系。著密切關系。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6四、四、 壓電式傳感器壓電式傳感器的應用的應用 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.61. 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器 圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓圖是一種壓電式加速度傳感器的結構圖。它主要由壓電元件、質量塊、電元件、質量塊、預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝預壓彈簧、基座及外殼等組成。整個部件裝在外殼內，

3、并由螺栓加以固定。在外殼內，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結構圖 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件當加速度傳感器和被測物一起受到沖擊振動時，壓電元件受質量塊慣性力的作用，受質量塊慣性力的作用，根據牛頓第二定律，此慣性力是加速根據牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數，度的函數， 即即 F=ma（3-14） 式中：式中：F質量塊產生的慣性力；質量塊產生的慣性力； m m質量塊的質量；質量塊的質量； a a加速度。加速度。 此時慣性力此時慣性力F F作用于壓電元件上，因而產生電荷作

4、用于壓電元件上，因而產生電荷q q，當，當傳感器選定后，傳感器選定后，m m為常數，為常數， 則則傳感器輸出電荷為傳感器輸出電荷為 q=d11F=d11ma 與加速度與加速度a a成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知成正比。因此，測得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。加速度的大小。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.62. 壓電式壓力傳感器壓電式壓力傳感器 圖圖5-195-19是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶片、片、 絕緣套、電極絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。、上蓋及基座等組成。 圖5-19 壓力式單向測力傳

5、感器結構圖 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1-0.5mm0.1-0.5mm，當，當外力作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石外力作用時，它將產生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用英晶片采用xyxy切型，切型， 利用其縱向壓電效應，利用其縱向壓電效應， 通過通過d d1111實現力實現力電轉換。石英晶片的尺寸為電轉換。石英晶片的尺寸為881mm1mm。該傳感器的測力范圍為。該傳感器的測力范圍為0-50N0-50N，最小分辨率為，最小分辨率為0.010.01 N N，固有頻率為，固有

6、頻率為50-60 kHz50-60 kHz，整個傳，整個傳感器重為感器重為10 g10 g。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例6 6：沖擊試驗臺的標定和檢測：沖擊試驗臺的標定和檢測產品過載沖擊試驗產品過載沖擊試驗跌落高度跌落高度h h加速度加速度哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例7 7：汽車安全氣囊系統(tǒng)：汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、事故性碰撞：點火信號、電點火管、氣體發(fā)生劑、 氣體、充氣、彈性體氣體、充氣、彈性體哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大

7、學2012.10.6例例8 8： 氣體發(fā)生器輸出特性測試氣體發(fā)生器輸出特性測試密封容器壓力測試法密封容器壓力測試法哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例9 9：振動測量儀：振動測量儀加速度加速度 160 ug160 ug -10 g -10 g速度速度 0.4 -80 cm/s0.4 -80 cm/s振幅振幅 4 um-8 cm4 um-8 cm轉換開關轉換開關S SamadFdq積分：振動速度、幅值積分：振動速度、幅值哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例1010： 壓電式血壓傳感器壓電式血壓傳感器例例1111：指套式電子血壓計：指套式電子血壓計哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工

8、業(yè)大學2012.10.6例例1212：玻璃破碎報警器：玻璃破碎報警器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例1313：水深測量儀：水深測量儀mMPa /01. 0哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6例例1414：逆壓電效應的應用：逆壓電效應的應用聲表面波傳感器聲表面波傳感器vL延遲時間延遲時間SAWSAW振子：振子：LCLC諧振回路諧振回路lvf2振動頻率振動頻率哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6用于結冰狀況監(jiān)測的冰傳感器用于結冰狀況監(jiān)測的冰傳感器結冰現象的危害：結冰現象的危害：鐵路電力機車接觸網導線上結冰影響機車正常行駛、鐵路電力機車接觸網導線上結冰影響機車正

9、常行駛、冷庫物資防冰、飛機安全飛行冷庫物資防冰、飛機安全飛行結冰狀況監(jiān)測：是否結冰、冰層厚度結冰狀況監(jiān)測：是否結冰、冰層厚度基于壓電效應的冰傳感器原理：基于壓電效應的冰傳感器原理：1電極金屬平板2電極3電極壓電晶體電極引線支撐安裝孔1電極2電極3電極壓電晶體哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6電極引線支撐安裝孔1電極2電極3電極壓電晶體電極電極 1 1、2 2 間加交變電壓：間加交變電壓：壓電晶體機械振動，系統(tǒng)壓電晶體機械振動，系統(tǒng)的諧振頻率：的諧振頻率：mkcf/k等效剛度等效剛度m等效質量等效質量冰層檢測原理：冰層檢測原理：極板極板 1 1 上無附加物：以自身的諧振頻率作機械振動

10、；上無附加物：以自身的諧振頻率作機械振動；極板極板 1 1 上有冰凍：冰層增加系統(tǒng)剛度，諧振頻率增大；上有冰凍：冰層增加系統(tǒng)剛度，諧振頻率增大；冰層越厚：剛度增加越大，諧振頻率越大。冰層越厚：剛度增加越大，諧振頻率越大。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6光電池是一種光電轉換元件，它不需外加電源而能光電池是一種光電轉換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉換為電能直接把光能轉換為電能 硅光電池是根據光生伏特效應而制成的光電轉換元件硅光電池是根據光生伏特效應而制成的光電轉換元件 性能穩(wěn)定，光譜響應范圍寬，轉換效率高，性能穩(wěn)定，光譜響應范圍寬，轉換效率高，線性相應好，使用壽命長，耐高溫輻射

11、，線性相應好，使用壽命長，耐高溫輻射，光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等。它在光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等。它在分析儀器、測量儀器、光電技術、分析儀器、測量儀器、光電技術、自動控制、計量檢測、計算機輸入輸出、自動控制、計量檢測、計算機輸入輸出、光能利用等領域用作探測元件，光能利用等領域用作探測元件，得到廣泛應用得到廣泛應用 第四節(jié)光電池第四節(jié)光電池哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6光電池哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 光電池種類繁多，早期出現的有氧化亞銅光電池，因轉光電池種類繁多，早期出現的有氧化亞銅光電池，因轉換效率低已很少使用。換效率低已很少使用。 目前應用較多的是硒

12、光電池和硅光電池。硒光電池因光目前應用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計等分析、測量儀器。硅光電池與其它半導體光電池相比度計等分析、測量儀器。硅光電池與其它半導體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉換效率最高，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉換效率最高( (達到達到1717) )的幾乎的幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質結光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成電池、異質結光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材

13、料制成薄膜結構，以減輕重量、簡化陣列結構，提高抗輻射能力和薄膜結構，以減輕重量、簡化陣列結構，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的降低成本。紫光電池是把硅光電池的PNPN結減薄至結深為結減薄至結深為0.20.20.3m0.3m，光譜響應峰值移到，光譜響應峰值移到600nm600nm左右，來提高短波響應，左右，來提高短波響應，以適應外層空間使用。以適應外層空間使用。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6光電池光電池硒光電池的光譜特性硒光電池的光譜特性)(um波長%相對靈敏度硒光電池硒光電池硅光電池硅光電池硒光電池的結構光半透明金屬膜硒半導體金屬底盤1 1）硒光電池）硒光電池哈

14、爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6硒光電池的硒光電池的伏安特性伏安特性IULR231210（2 2）硅光電池）硅光電池硅光電池的結構硅光電池的結構光梳狀電極抗反射膜型層N結PN型硅層P金屬下電極哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 直接把太陽光能轉換成電能的器件直接把太陽光能轉換成電能的器件( (光伏效應光伏效應) )，光伏效應，光伏效應本質上是由于吸收光輻射而產生電動勢現象。本質上是由于吸收光輻射而產生電動勢現象。 1839 1839年貝克里爾年貝克里爾(Becqurel(Becqurel) ) 觀察到插在電解液中兩電觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強度變化的現象。

15、極間的電壓隨光照強度變化的現象。 18761876年在固體硒中，弗里茲年在固體硒中，弗里茲(Fritts(Fritts) )也觀測到這種效應。也觀測到這種效應。 盡管光伏效應在氣體、液體或固體中都能發(fā)生，但只盡管光伏效應在氣體、液體或固體中都能發(fā)生，但只有在固體中，尤其在半導體材料中，才能獲得可供利用的有在固體中，尤其在半導體材料中，才能獲得可供利用的光電轉換效率。光電轉換效率。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 19541954年第一個實用半導體硅年第一個實用半導體硅pnpn結太陽電池的問世，證結太陽電池的問世，證明了這一點。明了這一點。 半導體太陽電池的優(yōu)點是效率高、壽命長、重

16、量輕、半導體太陽電池的優(yōu)點是效率高、壽命長、重量輕、性能可靠，甚至可以不用維護，使用方便。從性能可靠，甚至可以不用維護，使用方便。從19581958年開年開始，用作人造衛(wèi)星、宇宙飛船、行星際站的重要長期電始，用作人造衛(wèi)星、宇宙飛船、行星際站的重要長期電源。源。 目前的太陽電池成本較高，大規(guī)模的太空應用或地面應目前的太陽電池成本較高，大規(guī)模的太空應用或地面應用都受到限制。人類正在研究新材料、新結構、新工藝的用都受到限制。人類正在研究新材料、新結構、新工藝的高效率、低成本的太陽電池。高效率、低成本的太陽電池。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6緊急交通標志緊急交通標志 太陽能電池還裝太陽

17、能電池還裝在人造衛(wèi)星上，用來在人造衛(wèi)星上，用來為其供電。為其供電。 海上應用海上應用日常生活太陽能電池的計算器日常生活太陽能電池的計算器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 太陽太陽能電池是通過能電池是通過光電效應或者光電效應或者光化學效應直光化學效應直接把光能轉化接把光能轉化成電能的裝置。成電能的裝置。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6硅光電池結構示意圖 圖形符號 光電池 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6光電池光電池外形外形光敏面光敏面哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學

18、2012.10.6光電池組 光電池 光電池 常見的光電池 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6能提供較大電流的大能提供較大電流的大面積光電池面積光電池外形外形哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6硅光電池結構示意如圖硅光電池結構示意如圖-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結結硅光電池硅光電池哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號和基本工作電路光電池符號和基本工作電

19、路哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6半導體太陽電池種類繁多。半導體太陽電池種類繁多。有太空用太陽電池的理想材有太空用太陽電池的理想材料硅、砷化鎵、磷化銦單晶；料硅、砷化鎵、磷化銦單晶；多晶硅，還有適宜發(fā)展低成多晶硅，還有適宜發(fā)展低成本太陽電池的非晶硅、硒銦本太陽電池的非晶硅、硒銦銅、碲化鎘、硫化鎘等薄膜銅、碲化鎘、硫化鎘等薄膜材料。材料。 pnpn型型pinpin型型肖特基勢壘型肖特基勢壘型帶反型層的帶反型層的MISMIS型型及異質結型及異質結型按光伏結構中勢壘按光伏結構中勢壘的不同，太陽電池的不同，太陽電池可分為：可分為：哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 不同頻率或

20、波長的光具有不同的能量不同頻率或波長的光具有不同的能量 E E 光光子子的的能能量量（J J） h h 普普朗朗克克常常數數（6 6. .6 62 21 10 0- -3 34 4 J Js s） 光光子子頻頻率率（s- -1） c 光光速速（31 10 08 8 s s） 光光子子波波長長（m m）光電效應光電效應波動性：以光速運動，干涉、衍射波動性：以光速運動，干涉、衍射粒子性：具有一定的質量和能量的粒子粒子性：具有一定的質量和能量的粒子光光以光速運動的粒子流以光速運動的粒子流波粒二象性波粒二象性哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 光電效應是光電傳感器的基本轉換原理光電效應是光

21、電傳感器的基本轉換原理內光電效應內光電效應外光電效應外光電效應1 1、定義及分類、定義及分類哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 h h = = 1 12 2 m m v v2 2 + + A A只有當入射光能量大于電子逸出功時，只有當入射光能量大于電子逸出功時， 才能產生光電子，紅限頻率才能產生光電子，紅限頻率光電流與入射光強成正比光電流與入射光強成正比光電子逸出物體表面具有初始動能，負截止電壓光電子逸出物體表面具有初始動能，負截止電壓從光照至發(fā)射電子，時間從光照至發(fā)射電子，時間 10 10-9-9 s s2 2、外光電效應、外光電效應電子吸收光子能量電子吸收光子能量克服物質的束縛

22、，電子逸出功克服物質的束縛，電子逸出功轉化為逸出電子的動能轉化為逸出電子的動能哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.63 3、內光電效應、內光電效應E電子能量導帶價帶禁帶h光生電子光生電子- -空穴對空穴對光電導效應光電導效應光生伏特效應光生伏特效應載流子數目增多、電導率變大載流子數目增多、電導率變大條件：入射光能量大于半導體材料的禁帶寬度條件：入射光能量大于半導體材料的禁帶寬度4 4、光電導效應、光電導效應哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6能帶理論能級（能帶理論能級（EnegyEnegy Level Level） 在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排在孤立原子中，原

23、子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數量的電子。每個殼層上的列，每一殼層容納一定數量的電子。每個殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。電子具有分立的能量值，也就是電子按能級分布。為簡明起見，在表示能量高低的圖上，用一條條高為簡明起見，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線表示電子的能級，此圖稱為電子能低不同的水平線表示電子的能級，此圖稱為電子能級圖。級圖。 禁帶（禁帶（Forbidden BandForbidden Band）：允許被電子占據的能帶）：允許被電子占據的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據的

24、，此范圍稱為禁帶。的，此范圍稱為禁帶。 原子殼層中的內層允許帶總是被電子先占滿，然后原子殼層中的內層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿再占據能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能的允許帶稱為滿帶，每一個能級上都沒有電子的能帶稱為空帶。帶稱為空帶。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6能帶理論能級（能帶理論能級（EnegyEnegy Level Level） 價帶（價帶（Valence BandValence Band）：原子中最外層的電子稱為價電子）：原子中最外層的電子稱為價電子，與價電帶。，與價電帶。

25、導帶（導帶（Conduction BandConduction Band）：價帶以上能量最低的）：價帶以上能量最低的允許帶稱為導帶。導帶的底能級表示為允許帶稱為導帶。導帶的底能級表示為EcEc，價帶，價帶的頂能級表示為的頂能級表示為EvEv，EcEc與與EvEv之間的能量間隔為禁之間的能量間隔為禁帶帶EgEg。 導體或半導體的導電作用是通過帶電粒子的運動導體或半導體的導電作用是通過帶電粒子的運動（形成電流）來實現的，這種電流的載體稱為載（形成電流）來實現的，這種電流的載體稱為載流子。導體中的載流子是自由電子，半導體中的流子。導體中的載流子是自由電子，半導體中的載流子則是帶負電的電子和帶正電的空

26、穴。對于載流子則是帶負電的電子和帶正電的空穴。對于不同的材料，禁帶寬度不同，導帶中電子的數目不同的材料，禁帶寬度不同，導帶中電子的數目也不同，從而有不同的導電性。也不同，從而有不同的導電性。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6對于每種半導體材料存在一個入射光的波長限對于每種半導體材料存在一個入射光的波長限入射光光強愈強，電導率愈大入射光光強愈強，電導率愈大gEchh24.1gE光照下，使半導體產生光照下，使半導體產生一定方向電動勢的現象。一定方向電動勢的現象。4 4、光生伏特效應、光生伏特效應PN光照內E哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6一、光伏效應的兩個基本條件一、光

27、伏效應的兩個基本條件 光伏效應就是半導體材料吸收光能后，在光伏效應就是半導體材料吸收光能后，在其勢壘區(qū)兩邊產生電動勢的效應。光伏效應是其勢壘區(qū)兩邊產生電動勢的效應。光伏效應是半導體太陽電池實現光電轉換的理論基礎。半導體太陽電池實現光電轉換的理論基礎。 為使這些光電器件能產生光生電動勢為使這些光電器件能產生光生電動勢( (或光或光生積累電荷生積累電荷) )，它們應該滿足以下兩個條件：，它們應該滿足以下兩個條件：哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 第一，半導體材料對一定波長的入射光有足夠第一，半導體材料對一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數大的光吸收系數，即要求入射光子的能量，即要求入

28、射光子的能量hh大于或等于半導體材料的禁帶寬度大于或等于半導體材料的禁帶寬度E Eg g，使該入射，使該入射光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子光子能被半導體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對?？昭▽?。 第二，具有光伏結構，即有一個內建電場所對第二，具有光伏結構，即有一個內建電場所對應的勢壘區(qū)。應的勢壘區(qū)。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 光電池核心部分是一個光電池核心部分是一個PNPN結，一般做成面積較大的薄片狀，結，一般做成面積較大的薄片狀，來接收更多的入射光。圖示的是硒光電池的結構。制造工藝是：來接收更多的入射光。圖示的是硒光電池的結構。制造工藝是：先在鋁片上覆蓋一

29、層先在鋁片上覆蓋一層P P型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成N N型型硒化鎘，與原來硒化鎘，與原來P P型硒形成一個大面積型硒形成一個大面積PNPN結，最后涂上半透明結，最后涂上半透明保護層，焊上電極，鋁片為正極，硒化保護層，焊上電極，鋁片為正極，硒化鎘鎘為負極。為負極。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 光電池的工作原理光電池的工作原理N型硅片PN結擴散層（P層）電極光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器光電池是利用光生伏特效應把光直接轉變成電能的器件件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為

30、太陽能電池。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。它是基于光生伏特效應制成的，是發(fā)電式有源元件。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6出去活動一下出去活動一下哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 二 硅光電池的工作原理 硅光電池是一個大面積的光電二極管，它可把入硅光電池是一個大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉化為電能。當有光照時，入射光子將射到它表面的光能轉化為電能。當有光照時，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導帶，激發(fā)出的電子空穴對在內電場作用下分別漂移到對在內電場作用下分別漂移到N N型區(qū)和型區(qū)和

31、P P型區(qū)，當在型區(qū)，當在PNPN結兩結兩端加負載時就有一光生電流流過負載。端加負載時就有一光生電流流過負載。光電池結構示意圖哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 在零偏條件下，如用光照射在零偏條件下，如用光照射p p區(qū)或區(qū)或n n區(qū) ， 只 要 照 射 光 的 波 長 滿 足區(qū) ， 只 要 照 射 光 的 波 長 滿 足 cc，都會激發(fā)出光生電子，都會激發(fā)出光生電子-空穴對。空穴對。 光照光照p p區(qū)，由于區(qū)，由于p p區(qū)的多數載區(qū)的多數載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大，因此光生空穴對度本來就

32、比較大，因此光生空穴對p p區(qū)空穴濃度影響很小。區(qū)空穴濃度影響很小。 相反，光生電子對相反，光生電子對p p區(qū)的電子濃度影響很大，從區(qū)的電子濃度影響很大，從p p區(qū)區(qū)表面表面( (吸收光能多，光生電子多吸收光能多，光生電子多) )向向p p區(qū)內自然形成電區(qū)內自然形成電子擴散趨勢。子擴散趨勢。如果如果p p區(qū)厚度小于電子擴散長度，那么大部分光生電區(qū)厚度小于電子擴散長度，那么大部分光生電子都能擴散進入子都能擴散進入P-nP-n結。結。2pnpn結的光電轉換原理結的光電轉換原理哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 一進入一進入p-np-n結就被內電場拉向結就被內電場拉向n n區(qū)。這區(qū)。這樣

33、光生電子樣光生電子- -空穴對就被內電場分離開空穴對就被內電場分離開來，空穴留在來，空穴留在p p區(qū)，電子通過擴散流向區(qū)，電子通過擴散流向n n區(qū)。區(qū)。這時用電壓表就能測量出這時用電壓表就能測量出p p區(qū)正區(qū)正, n, n區(qū)負區(qū)負的開路電壓的開路電壓u un n，稱為光生伏特效應。如果，稱為光生伏特效應。如果用一個理想電流表接通用一個理想電流表接通p-np-n結，則有電流結，則有電流i i0 0通過稱為短路電流。通過稱為短路電流。 綜上所述，綜上所述， 光照零偏光照零偏p-np-n結產生開結產生開路電壓的效應，稱為光伏路電壓的效應，稱為光伏效應。這也是光電池的工效應。這也是光電池的工作原理。作

34、原理。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 從上面分析可知，光生電壓起源于定向光生電流提供的、從上面分析可知，光生電壓起源于定向光生電流提供的、在勢壘兩邊分別積累的兩種光生電荷。在勢壘兩邊分別積累的兩種光生電荷。 假設勢壘區(qū)中復合可以忽略，各區(qū)電子空穴對產生假設勢壘區(qū)中復合可以忽略，各區(qū)電子空穴對產生率為恒定值率為恒定值G G的簡單情況下，光生電流表達式可寫成：的簡單情況下，光生電流表達式可寫成： IPh qAG(Ln+W+Lp ) 式中式中q q是電子電荷，是電子電荷，A A為勢壘區(qū)面積，為勢壘區(qū)面積，L Ln n、L Lp p是電子和空穴的是電子和空穴的擴散長度，是勢擴散長度，是

35、勢壘區(qū)寬度。壘區(qū)寬度。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 （1） PN結兩端的電流： 光電池處于零偏時，光電池處于零偏時，V V0 0，流過，流過PNPN結的電結的電流流I IIP IP ；光電池處于反偏時（實驗中??；光電池處于反偏時（實驗中取V V 5V5V），流過），流過PNPN結的電流結的電流I I IP- Is IP- Is ，當光電池用作光電轉換器時，必須處于零偏或當光電池用作光電轉換器時，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。反偏狀態(tài)。 PKTevsIeII) 1(/哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關系： R R 為響應率，為響應

36、率，R R 值隨入射光波長的不同值隨入射光波長的不同而變化，對不同材料制作的光電池而變化，對不同材料制作的光電池R R值分別在短值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。波長和長波長處存在一截止波長。 PiIRP哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 由上述分析可知，理想由上述分析可知，理想pnpn結太陽電池可以用一恒定結太陽電池可以用一恒定電流源電流源I Iphph ( (光生電流光生電流) )及一理想二極管的并聯(lián)來表及一理想二極管的并聯(lián)來表示。故理想示。故理想pnpn結太陽電池的等效電路如圖所示。結太陽電池的等效電路如圖所示。 考慮實際太陽電池上存在泄漏電阻考慮實際太陽電池上存在泄漏

37、電阻R Rshsh和串聯(lián)電阻和串聯(lián)電阻R Rs s，那么，實際等效電路如圖示。那么，實際等效電路如圖示。 二、等效電路、伏安特性及輸出特性二、等效電路、伏安特性及輸出特性l lpnpn結太陽電池的等效電路結太陽電池的等效電路哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 2理想情況理想情況 在理想情況下，在理想情況下，pnpn結太陽電池的結太陽電池的R Rshsh很大，很大，R Rs s很小，兩者影響很小，兩者影響都可忽略。根據圖所示理想等效電路，三股電流應滿足如下都可忽略。根據圖所示理想等效電路，三股電流應滿足如下關系：關系： Iph-IFI 其中理想其中理想pnpn結二極管的正向注入電流為

38、：結二極管的正向注入電流為： 式中式中I I0 0是是pnpn結反向飽和電流，結反向飽和電流，q q是電子電荷，是電子電荷，k k是玻耳茲曼常是玻耳茲曼常數，數，T T為絕對溫度。將式代入得到通過負載的電流：為絕對溫度。將式代入得到通過負載的電流： 1exp0kTqVIIFphphFIkTqVIIII 1exp0哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 這就是理想情況下負載電阻上電流與電壓這就是理想情況下負載電阻上電流與電壓的關系，即太陽電池的伏安特性。其曲線的關系，即太陽電池的伏安特性。其曲線如圖所示。如圖所示。從式及其伏安特性曲線上，可以得出描述從式及其伏安特性曲線上，可以得出描述太

39、陽電池的幾個輸出參數太陽電池的幾個輸出參數 （1 1）短路電流）短路電流I Iscsc，是，是V V=0=0時的輸出電流。時的輸出電流。在理想情況下，它等于光生電流在理想情況下，它等于光生電流 I Iphph （2 2）開路電壓）開路電壓V Vococ。令式中。令式中I I=0=0，則給出開，則給出開路電壓的理想值：路電壓的理想值： 1ln0IIqkTVphOC哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc /V0.10.20.30.4 0.50.30.10

40、12345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a) (a) 硅光電池硅光電池(b)(b)硒光電池硒光電池（1 1）光照特性）光照特性 光電器件工作電壓一定時，入射光通量與光電器件工作電壓一定時，入射光通量與光電流的關系光電流的關系開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為曲線，當照度為2000lx2000lx時趨向飽和。時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性)(V壓電路開)(mA流電

41、路短哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 3 3）太陽電池的光電轉換效率）太陽電池的光電轉換效率 式中式中P Pinin是入射到電池上光總功率。是入射到電池上光總功率。inOCinmpmpPVPIV.FFIsc1ln)(00IRIRVIIIIRVkTqshsphs實際上，太陽電池存在著實際上，太陽電池存在著R Rs s 和和R Rshsh的影響。根據實際等效電路，的影響。根據實際等效電路，可以推導出實際太陽電池的伏安特性可以推導出實際太陽電池的伏安特性： 3 3非理想情況非理想情況哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 光電轉換效

42、率光電轉換效率是表征太陽電池性能的最重要的參數。是表征太陽電池性能的最重要的參數。闡述入射太陽輻射功率計算的依據，闡述入射太陽輻射功率計算的依據，再以硅再以硅pnpn結太陽電池為主，兼顧其它種類電池，結太陽電池為主，兼顧其它種類電池，討論理想情況下最大理論效率的一種考慮計算方討論理想情況下最大理論效率的一種考慮計算方法。法?？紤]在非理想情況下，影響效率的諸多因素及效考慮在非理想情況下，影響效率的諸多因素及效應。應。太陽電池的光電轉換效率太陽電池的光電轉換效率哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6太陽能電池的性能指標太陽能電池的性能指標- -轉換效率轉換效率 太陽能電池的轉換效率是指電池

43、將接收太陽能電池的轉換效率是指電池將接收到的光能轉換成電能的比率到的光能轉換成電能的比率 晶硅類理論轉晶硅類理論轉換效率極限為換效率極限為29%29%。而現在的太陽能電而現在的太陽能電池的轉換效率為池的轉換效率為17%17%19%19%。因此。因此, ,太太陽能電池的技術上陽能電池的技術上還有很大的發(fā)展空還有很大的發(fā)展空間。間。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6硅光電池的光譜特性硅光電池的光譜特性)(um波長%相對靈敏度硅光電池的伏安特性硅光電池的伏安特性IULR230M光譜特性：工作電壓不變，光譜特性：工作電壓不變，入射光波長與靈敏度

44、（量入射光波長與靈敏度（量子效率）的關系子效率）的關系哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光譜特性光譜特性 光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在長在540nm540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍圍400nm400nm1100nm1100nm，峰值波長在，峰值波長在850nm850nm附近，因此硅光附近，因

45、此硅光電池可以在很寬的范圍內應用。電池可以在很寬的范圍內應用。1硒光電池硒光電池2 2硅光電池硅光電池哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 太陽電池所利用太陽電池所利用的太陽能來源于太陽的太陽能來源于太陽輻射。太陽中心發(fā)生輻射。太陽中心發(fā)生的核聚變反應，連續(xù)的核聚變反應，連續(xù)不斷地釋放出巨大能不斷地釋放出巨大能量，主要以光輻射形量，主要以光輻射形式從太陽表面的發(fā)光式從太陽表面的發(fā)光層向太空輻射。層向太空輻射。 表面發(fā)光層溫度表面發(fā)光層溫度約約6000K6000K，其輻射光，其輻射光譜與譜與6000K6000K絕對黑體絕對黑體的連續(xù)輻射光譜類似的連續(xù)輻射光譜類似( (見圖見圖) )。

46、太陽輻射光譜太陽輻射光譜AM0AM0和和AMl.5AMl.5哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 太 陽 輻 射 經 過 日太 陽 輻 射 經 過 日 - - 地 平 均 距 離地 平 均 距 離 ( ( 約約1.51.510108 8公里公里) )，傳播到地球大氣層外面，傳播到地球大氣層外面，其輻射能面密度已大大降低。其輻射能面密度已大大降低。 在這個距離上，垂直于太陽輻射方向單在這個距離上，垂直于太陽輻射方向單位面積上的輻射功率基本上是個常數，位面積上的輻射功率基本上是個常數，稱為太陽常數。其數值是稱為太陽常數。其數值是1.353kW1.353kWm m2 2。 這是許多國家使用

47、這是許多國家使用高空氣球、高空飛高空氣球、高空飛機、人造衛(wèi)星、宇機、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對太陽輻宙飛船等對太陽輻射進行大量測試、射進行大量測試、綜合而得到的公認綜合而得到的公認數據。數據。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 目前世界上許多國家把太陽常數作為計算太空用太陽電目前世界上許多國家把太陽常數作為計算太空用太陽電池的入射光功率密度的依據，又稱池的入射光功率密度的依據，又稱AMOAMO光譜條件。光譜條件。 在此條件下測試太空用太陽電池效率時，光源應滿足圖在此條件下測試太空用太陽電池效率時，光源應滿足圖AMOAMO的光譜分布，總能量為的光譜分布，總能量為135.3mW135.3m

48、Wcmcm2 2，電池測試溫，電池測試溫度為度為2525。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 AMOAMO光譜的太陽光譜的太陽輻射經過大氣輻射經過大氣層中臭氧、氧層中臭氧、氧氣、水汽、二氣、水汽、二氧化碳及懸浮氧化碳及懸浮固體微粒固體微粒( (煙塵煙塵、粉等、粉等) )的吸收的吸收、散射和反射、散射和反射，到達地面時，到達地面時，光譜分布上，光譜分布上出現了許多吸出現了許多吸收谷，而且總收谷，而且總輻射能至少衰輻射能至少衰減掉減掉3030( (如圖如圖所示所示) )。在晴朗天氣的理想條件下，決在晴朗天氣的理想條件下，決定投射于地面的太陽輻射功率定投射于地面的太陽輻射功率的最重要參數

49、是光穿過大氣層的最重要參數是光穿過大氣層通路的長度。當太陽位于天頂通路的長度。當太陽位于天頂，該長度最短。，該長度最短。任一實際光通路長度與此最短任一實際光通路長度與此最短長度之比稱為大氣質量，符號長度之比稱為大氣質量，符號記為記為AM(AirAM(Air Mass Mass的縮寫的縮寫) )。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6(3) (3) 頻率特性頻率特性 光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光電池作為測量、計數、接收元件時常用調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光輸入。光電池的頻率響應就是指輸出電流隨調制光頻率變化

50、的關系。由于光電池光頻率變化的關系。由于光電池PNPN結面積較大，極結面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響響應曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應，如曲線應，如曲線2 2，而硒光電池則較差，如曲線，而硒光電池則較差，如曲線1 1。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池硒光電池2 2硅光電池硅光電池哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6（4 4）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短

51、路電流隨溫度光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度變化的關系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移而變化，它將關系到應用光電池的儀器設備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池，影響到測量或控制精度等主要指標，因此，當光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補償措施。償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200U UOCOC開路電壓開路電壓I ISC SC 短

52、路電流短路電流硅光電池在硅光電池在1000lx1000lx照照度下的溫度特性曲線度下的溫度特性曲線哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 太陽電池在光電能量轉換過程中，由于存在各太陽電池在光電能量轉換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實際效率比上述的理論極種附加的能量損失，實際效率比上述的理論極限效率低。限效率低。 下面以下面以pnpn結硅太陽電池為例結硅太陽電池為例, , 來闡述各種能來闡述各種能量損失之機理，作為改進太陽電池的設計及工量損失之機理，作為改進太陽電池的設計及工藝，提高其效率的基礎。藝，提高其效率的基礎。影響太陽電池效率的一些因素影響太陽電池效率的一些因素哈爾濱工業(yè)大

53、學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6太陽電池效率損失中，有三種是屬于太陽電池效率損失中，有三種是屬于“光學損失光學損失”，其主，其主要影響是降低了光生電流值。要影響是降低了光生電流值。（1 1）反射損失）反射損失R R() )：從空氣：從空氣( (或真空或真空) )垂直入射到媒質垂直入射到媒質( (如如半導體材料半導體材料) )的單色光的反射率：的單色光的反射率： 2222) 1() 1(knknR1 1光生電流的光學損失光生電流的光學損失式中式中n n為半導體材料復數折射為半導體材料復數折射率率N N之實部，即普通折射率，之實部，即普通折射率，k k是其虛部，稱為消光系數。是其虛部，稱為消光系

54、數。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6 每種材料的每種材料的n n和和k k都與入射光之波長有關。對硅來說，其關都與入射光之波長有關。對硅來說，其關系曲線如圖所示。把系曲線如圖所示。把n n、k k的結果代入式中，發(fā)現在感興趣的結果代入式中，發(fā)現在感興趣的太陽光譜中，超過的太陽光譜中，超過30%30%的光能被裸露硅表面反射掉了。的光能被裸露硅表面反射掉了。 硅折射率的實部硅折射率的實部n n與虛與虛部部k k與光子能量的關系與光子能量的關系哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6(3)3)透射損失：如果電池厚度不透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收足夠大，某些

55、能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導體材料之最小厚度。決定了半導體材料之最小厚度。(2)(2)柵指電極遮光損失柵指電極遮光損失c c，定義為柵指電極遮光面積在太陽定義為柵指電極遮光面積在太陽電池總面積中所占的百分比。對電池總面積中所占的百分比。對一般電池來說，一般電池來說，c c約為約為4%4%15%15%。PnPn結硅太陽電池的截面圖結硅太陽電池的截面圖間接帶隙半導體要求材料的厚間接帶隙半導體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。對于硅和度比直接帶隙的厚。對于硅和砷化鎵的計算結果示于圖中。砷化鎵的計算結果示于圖中。光生載流子的定向運動形成光光生載流子的定

56、向運動形成光生電流生電流I Iphph最大光生電流值為：最大光生電流值為：哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.6式中式中N Nphph( (E Eg g) )為每秒鐘為每秒鐘投射到電池上能量大投射到電池上能量大于于E Eg g的總光子數。的總光子數。 dxdxqGHdxdeRcqHIxiph),(00)()(1)1)(00)(xieRcxG)()()(1)1)(),(Iphmax=qNph（Eg）)式中式中 ( ()為投射在電池上、波長為為投射在電池上、波長為，單，單位帶寬的光子數；位帶寬的光子數；i i為量子產額，即一個為量子產額，即一個能量大于帶隙能量大于帶隙E Eg g的光子產生

57、一對光生電子空的光子產生一對光生電子空穴對的幾率，通?？闪钛▽Φ膸茁?，通?？闪頸 i=1=1；dxdx為距電池為距電池表面表面x xt t處厚度為處厚度為dxdx的薄層；的薄層；H H為電池厚度；為電池厚度；G G（、x x）表示）表示由波長為由波長為、單、單位帶寬的光子射位帶寬的光子射進材料在進材料在x x處的產處的產生率。生率?？紤]上述三種光學損失及材料吸收之后，光生電流可表示為：考慮上述三種光學損失及材料吸收之后，光生電流可表示為：哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2012.10.62 2串聯(lián)電阻串聯(lián)電阻R Rs s和旁路電阻和旁路電阻R Rshsh 引起效率下降引起效率下降 在硅太陽電池中，由硅材料體電在硅太陽電池中，由硅材料體電阻、溥層電阻、電極接觸電阻及阻、溥層電阻、電極接觸電阻及電極本身傳導電流的電阻構成了電極本身傳導電流的電阻構