檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)第5章3

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)電能量傳感器第三部分哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6壓電傳感器的應(yīng)用壓電傳感器的應(yīng)用例例1 1： 壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力預(yù)緊力哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例4 4：火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試：火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試 發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒形成壓力完成炮

2、彈的發(fā)射。膛內(nèi)壓力的大發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。膛內(nèi)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(shè)計(jì)有小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。著密切關(guān)系。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6四、四、 壓電式傳感器壓電式傳感器的應(yīng)用的應(yīng)用 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)圖。它主要由壓圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，

3、并由螺栓加以固定。在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。 壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，度的函數(shù)， 即即 F=ma（3-14） 式中：式中：F質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力； m m質(zhì)量塊的質(zhì)量；質(zhì)量塊的質(zhì)量； a a加速度。加速度。 此時(shí)慣性力此時(shí)慣性力F F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷作

4、用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q q，當(dāng)，當(dāng)傳感器選定后，傳感器選定后，m m為常數(shù)，為常數(shù)， 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(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知成正比。因此，測(cè)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)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(cè)力傳

5、感器結(jié)構(gòu)圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(dāng)，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石外力作用時(shí)，它將產(chǎn)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(yīng)，利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過(guò)通過(guò)d d1111實(shí)現(xiàn)力實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為881mm1mm。該傳感器的測(cè)力范圍為。該傳感器的測(cè)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(gè)傳，整個(gè)傳感器重為感器重為10 g10 g。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例6 6：沖擊試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測(cè)：沖擊試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測(cè)產(chǎn)品過(guò)載沖擊試驗(yàn)產(chǎn)品過(guò)載沖擊試驗(yàn)跌落高度跌落高度h h加速度加速度哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例7 7：汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)：汽車(chē)安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)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(xué)哈爾濱工業(yè)大

7、學(xué)2012.10.6例例8 8： 氣體發(fā)生器輸出特性測(cè)試氣體發(fā)生器輸出特性測(cè)試密封容器壓力測(cè)試法密封容器壓力測(cè)試法哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例9 9：振動(dòng)測(cè)量?jī)x：振動(dòng)測(cè)量?jī)x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(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)S SamadFdq積分：振動(dòng)速度、幅值積分：振動(dòng)速度、幅值哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jì)：指套式電子血壓計(jì)哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工

8、業(yè)大學(xué)2012.10.6例例1212：玻璃破碎報(bào)警器：玻璃破碎報(bào)警器哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例1313：水深測(cè)量?jī)x：水深測(cè)量?jī)xmMPa /01. 0哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6例例1414：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用聲表面波傳感器聲表面波傳感器vL延遲時(shí)間延遲時(shí)間SAWSAW振子：振子：LCLC諧振回路諧振回路lvf2振動(dòng)頻率振動(dòng)頻率哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6用于結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)的冰傳感器用于結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)的冰傳感器結(jié)冰現(xiàn)象的危害：結(jié)冰現(xiàn)象的危害：鐵路電力機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)上結(jié)冰影響機(jī)車(chē)正常行駛、鐵路電力機(jī)車(chē)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)上結(jié)冰影響機(jī)車(chē)正

9、常行駛、冷庫(kù)物資防冰、飛機(jī)安全飛行冷庫(kù)物資防冰、飛機(jī)安全飛行結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)：是否結(jié)冰、冰層厚度結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)：是否結(jié)冰、冰層厚度基于壓電效應(yīng)的冰傳感器原理：基于壓電效應(yīng)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(xiàn)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6電極引線(xiàn)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(jī)械振動(dòng)，系統(tǒng)壓電晶體機(jī)械振動(dòng)，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(zhì)量等效質(zhì)量冰層檢測(cè)原理：冰層檢測(cè)原理：極板極板 1 1 上無(wú)附加物：以自身的諧振頻率作機(jī)械振動(dòng)

10、；上無(wú)附加物：以自身的諧振頻率作機(jī)械振動(dòng)；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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需外加電源而能光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能 硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件 性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線(xiàn)性相應(yīng)好，使用壽命長(zhǎng)，耐高溫輻射

11、，線(xiàn)性相應(yīng)好，使用壽命長(zhǎng)，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(cè)量?jī)x器、光電技術(shù)、分析儀器、測(cè)量?jī)x器、光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)、計(jì)算機(jī)輸入輸出、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)、計(jì)算機(jī)輸入輸出、光能利用等領(lǐng)域用作探測(cè)元件，光能利用等領(lǐng)域用作探測(cè)元件，得到廣泛應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用 第四節(jié)光電池第四節(jié)光電池哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6光電池哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 光電池種類(lèi)繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)光電池種類(lèi)繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少使用。換效率低已很少使用。 目前應(yīng)用較多的是硒

12、光電池和硅光電池。硒光電池因光目前應(yīng)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(jué)很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照譜特性與人眼視覺(jué)很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計(jì)等分析、測(cè)量?jī)x器。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比度計(jì)等分析、測(cè)量?jī)x器。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高( (達(dá)到達(dá)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(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材

13、料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，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(jié)減薄至結(jié)深為結(jié)減薄至結(jié)深為0.20.20.3m0.3m，光譜響應(yīng)峰值移到，光譜響應(yīng)峰值移到600nm600nm左右，來(lái)提高短波響應(yīng)，左右，來(lái)提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。以適應(yīng)外層空間使用。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(zhǎng)%相對(duì)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(jié)構(gòu)光半透明金屬膜硒半導(dǎo)體金屬底盤(pán)1 1）硒光電池）硒光電池哈

14、爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)構(gòu)硅光電池的結(jié)構(gòu)光梳狀電極抗反射膜型層N結(jié)PN型硅層P金屬下電極哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 直接把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件直接把太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件( (光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)) )，光伏效應(yīng)，光伏效應(yīng)本質(zhì)上是由于吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象。本質(zhì)上是由于吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)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(qiáng)度變化的現(xiàn)象。

15、極間的電壓隨光照強(qiáng)度變化的現(xiàn)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(cè)到這種效應(yīng)。也觀測(cè)到這種效應(yīng)。 盡管光伏效應(yīng)在氣體、液體或固體中都能發(fā)生，但只盡管光伏效應(yīng)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(dǎo)體材料中，才能獲得可供利用的有在固體中，尤其在半導(dǎo)體材料中，才能獲得可供利用的光電轉(zhuǎn)換效率。光電轉(zhuǎn)換效率。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 19541954年第一個(gè)實(shí)用半導(dǎo)體硅年第一個(gè)實(shí)用半導(dǎo)體硅pnpn結(jié)太陽(yáng)電池的問(wèn)世，證結(jié)太陽(yáng)電池的問(wèn)世，證明了這一點(diǎn)。明了這一點(diǎn)。 半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)是效率高、壽命長(zhǎng)、重

16、量輕、半導(dǎo)體太陽(yáng)電池的優(yōu)點(diǎn)是效率高、壽命長(zhǎng)、重量輕、性能可靠，甚至可以不用維護(hù)，使用方便。從性能可靠，甚至可以不用維護(hù)，使用方便。從19581958年開(kāi)年開(kāi)始，用作人造衛(wèi)星、宇宙飛船、行星際站的重要長(zhǎng)期電始，用作人造衛(wèi)星、宇宙飛船、行星際站的重要長(zhǎng)期電源。源。 目前的太陽(yáng)電池成本較高，大規(guī)模的太空應(yīng)用或地面應(yīng)目前的太陽(yáng)電池成本較高，大規(guī)模的太空應(yīng)用或地面應(yīng)用都受到限制。人類(lèi)正在研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的用都受到限制。人類(lèi)正在研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的高效率、低成本的太陽(yáng)電池。高效率、低成本的太陽(yáng)電池。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6緊急交通標(biāo)志緊急交通標(biāo)志 太陽(yáng)能電池還裝太陽(yáng)

17、能電池還裝在人造衛(wèi)星上，用來(lái)在人造衛(wèi)星上，用來(lái)為其供電。為其供電。 海上應(yīng)用海上應(yīng)用日常生活太陽(yáng)能電池的計(jì)算器日常生活太陽(yáng)能電池的計(jì)算器哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 太陽(yáng)太陽(yáng)能電池是通過(guò)能電池是通過(guò)光電效應(yīng)或者光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。成電能的裝置。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖 圖形符號(hào) 光電池 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)

18、2012.10.6光電池組 光電池 光電池 常見(jiàn)的光電池 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6硅光電池結(jié)構(gòu)示意如圖硅光電池結(jié)構(gòu)示意如圖-+RLpn防反射膜防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結(jié)結(jié)硅光電池硅光電池哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLI(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路光電池符號(hào)和基本工作電

19、路哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6半導(dǎo)體太陽(yáng)電池種類(lèi)繁多。半導(dǎo)體太陽(yáng)電池種類(lèi)繁多。有太空用太陽(yáng)電池的理想材有太空用太陽(yáng)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(yáng)電池的非晶硅、硒銦本太陽(yáng)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(shì)壘型肖特基勢(shì)壘型帶反型層的帶反型層的MISMIS型型及異質(zhì)結(jié)型及異質(zhì)結(jié)型按光伏結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘按光伏結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘的不同，太陽(yáng)電池的不同，太陽(yáng)電池可分為：可分為：哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 不同頻率或

20、波長(zhǎng)的光具有不同的能量不同頻率或波長(zhǎng)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(shù)數(shù)（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(zhǎng)長(zhǎng)（m m）光電效應(yīng)光電效應(yīng)波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子光光以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流波粒二象性波粒二象性哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理光電效應(yīng)是光

21、電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)1 1、定義及分類(lèi)、定義及分類(lèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 h h = = 1 12 2 m m v v2 2 + + A A只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時(shí)，只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時(shí)， 才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率光電流與入射光強(qiáng)成正比光電流與入射光強(qiáng)成正比光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，負(fù)截止電壓光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，負(fù)截止電壓從光照至發(fā)射電子，時(shí)間從光照至發(fā)射電子，時(shí)間 10 10-9-9 s s2 2、外光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)電子吸收光子能量電子吸收光子能量克服物質(zhì)的束縛

22、，電子逸出功克服物質(zhì)的束縛，電子逸出功轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.63 3、內(nèi)光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)E電子能量導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶h光生電子光生電子- -空穴對(duì)空穴對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)載流子數(shù)目增多、電導(dǎo)率變大載流子數(shù)目增多、電導(dǎo)率變大條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度4 4、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6能帶理論能級(jí)（能帶理論能級(jí)（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(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在表示能量高低的圖上，用一條條高為簡(jiǎn)明起見(jiàn)，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線(xiàn)表示電子的能級(jí)，此圖稱(chēng)為電子能低不同的水平線(xiàn)表示電子的能級(jí)，此圖稱(chēng)為電子能級(jí)圖。級(jí)圖。 禁帶（禁帶（Forbidden BandForbidden Band）：允許被電子占據(jù)的能帶）：允許被電子占據(jù)的能帶稱(chēng)為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)稱(chēng)為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的

24、，此范圍稱(chēng)為禁帶。的，此范圍稱(chēng)為禁帶。 原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿(mǎn)，然后原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿(mǎn)，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿(mǎn)再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿(mǎn)的允許帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶，每一個(gè)能級(jí)上都沒(méi)有電子的能的允許帶稱(chēng)為滿(mǎn)帶，每一個(gè)能級(jí)上都沒(méi)有電子的能帶稱(chēng)為空帶。帶稱(chēng)為空帶。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6能帶理論能級(jí)（能帶理論能級(jí)（EnegyEnegy Level Level） 價(jià)帶（價(jià)帶（Valence BandValence Band）：原子中最外層的電子稱(chēng)為價(jià)電子）：原子中最外層的電子稱(chēng)為價(jià)電子，與價(jià)電帶。，與價(jià)電帶。

25、導(dǎo)帶（導(dǎo)帶（Conduction BandConduction Band）：價(jià)帶以上能量最低的）：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為允許帶稱(chēng)為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為EcEc，價(jià)帶，價(jià)帶的頂能級(jí)表示為的頂能級(jí)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(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過(guò)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過(guò)帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱(chēng)為載（形成電流）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱(chēng)為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空

26、穴。對(duì)于載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。對(duì)于不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6對(duì)于每種半導(dǎo)體材料存在一個(gè)入射光的波長(zhǎng)限對(duì)于每種半導(dǎo)體材料存在一個(gè)入射光的波長(zhǎng)限入射光光強(qiáng)愈強(qiáng)，電導(dǎo)率愈大入射光光強(qiáng)愈強(qiáng)，電導(dǎo)率愈大gEchh24.1gE光照下，使半導(dǎo)體產(chǎn)生光照下，使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。4 4、光生伏特效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)PN光照內(nèi)E哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6一、光伏效應(yīng)的兩個(gè)基本條件一、光

27、伏效應(yīng)的兩個(gè)基本條件 光伏效應(yīng)就是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光伏效應(yīng)就是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在其勢(shì)壘區(qū)兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏效應(yīng)是其勢(shì)壘區(qū)兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。半導(dǎo)體太陽(yáng)電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。 為使這些光電器件能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)為使這些光電器件能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)( (或光或光生積累電荷生積累電荷) )，它們應(yīng)該滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：，它們應(yīng)該滿(mǎn)足以下兩個(gè)條件：哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 第一，半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠第一，半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長(zhǎng)的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)大的光吸收系數(shù)，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(dǎo)體材料的禁帶寬度大于或等于半導(dǎo)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(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對(duì)?？昭▽?duì)。 第二，具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)第二，具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 光電池核心部分是一個(gè)光電池核心部分是一個(gè)PNPN結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來(lái)接收更多的入射光。圖示的是硒光電池的結(jié)構(gòu)。制造工藝是：來(lái)接收更多的入射光。圖示的是硒光電池的結(jié)構(gòu)。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(lái)硒化鎘，與原來(lái)P P型硒形成一個(gè)大面積型硒形成一個(gè)大面積PNPN結(jié)，最后涂上半透明結(jié)，最后涂上半透明保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，硒化保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，硒化鎘鎘為負(fù)極。為負(fù)極。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)擴(kuò)散層（P層）電極光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件件。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱(chēng)為太陽(yáng)能電池。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱(chēng)為

30、太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6出去活動(dòng)一下出去活動(dòng)一下哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 二 硅光電池的工作原理 硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)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(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別漂移到對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)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(dāng)在型區(qū)，當(dāng)在PNPN結(jié)兩結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過(guò)負(fù)載。光電池結(jié)構(gòu)示意圖哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(zhǎng) 滿(mǎn) 足區(qū) ， 只 要 照 射 光 的 波 長(zhǎng) 滿(mǎn) 足 cc，都會(huì)激發(fā)出光生電子，都會(huì)激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)。空穴對(duì)。 光照光照p p區(qū)，由于區(qū)，由于p p區(qū)的多數(shù)載區(qū)的多數(shù)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(lái)就比較大，因此光生空穴對(duì)度本來(lái)就

32、比較大，因此光生空穴對(duì)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(duì)相反，光生電子對(duì)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(nèi)自然形成電區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。子擴(kuò)散趨勢(shì)。如果如果p p區(qū)厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電區(qū)厚度小于電子擴(kuò)散長(zhǎng)度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)入子都能擴(kuò)散進(jìn)入P-nP-n結(jié)。結(jié)。2pnpn結(jié)的光電轉(zhuǎn)換原理結(jié)的光電轉(zhuǎn)換原理哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 一進(jìn)入一進(jìn)入p-np-n結(jié)就被內(nèi)電場(chǎng)拉向結(jié)就被內(nèi)電場(chǎng)拉向n n區(qū)。這區(qū)。這樣

33、光生電子樣光生電子- -空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開(kāi)空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開(kāi)來(lái)，空穴留在來(lái)，空穴留在p p區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向區(qū)，電子通過(guò)擴(kuò)散流向n n區(qū)。區(qū)。這時(shí)用電壓表就能測(cè)量出這時(shí)用電壓表就能測(cè)量出p p區(qū)正區(qū)正, n, n區(qū)負(fù)區(qū)負(fù)的開(kāi)路電壓的開(kāi)路電壓u un n，稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。如果，稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。如果用一個(gè)理想電流表接通用一個(gè)理想電流表接通p-np-n結(jié)，則有電流結(jié)，則有電流i i0 0通過(guò)稱(chēng)為短路電流。通過(guò)稱(chēng)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(jié)產(chǎn)生開(kāi)結(jié)產(chǎn)生開(kāi)路電壓的效應(yīng)，稱(chēng)為光伏路電壓的效應(yīng)，稱(chēng)為光伏效應(yīng)。這也是光電池的工效應(yīng)。這也是光電池的工作原理。作

34、原理。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shì)壘兩邊分別積累的兩種光生電荷。在勢(shì)壘兩邊分別積累的兩種光生電荷。 假設(shè)勢(shì)壘區(qū)中復(fù)合可以忽略，各區(qū)電子空穴對(duì)產(chǎn)生假設(shè)勢(shì)壘區(qū)中復(fù)合可以忽略，各區(qū)電子空穴對(duì)產(chǎn)生率為恒定值率為恒定值G G的簡(jiǎn)單情況下，光生電流表達(dá)式可寫(xiě)成：的簡(jiǎn)單情況下，光生電流表達(dá)式可寫(xiě)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(shì)壘區(qū)面積，為勢(shì)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(kuò)散長(zhǎng)度，是勢(shì)擴(kuò)散長(zhǎng)度，是

35、勢(shì)壘區(qū)寬度。壘區(qū)寬度。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 （1） PN結(jié)兩端的電流： 光電池處于零偏時(shí)，光電池處于零偏時(shí)，V V0 0，流過(guò)，流過(guò)PNPN結(jié)的電結(jié)的電流流I IIP IP ；光電池處于反偏時(shí)（實(shí)驗(yàn)中?。还怆姵靥幱诜雌珪r(shí)（實(shí)驗(yàn)中取V V 5V5V），流過(guò)），流過(guò)PNPN結(jié)的電流結(jié)的電流I I IP- Is IP- Is ，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關(guān)系： R R 為響應(yīng)率，為響應(yīng)

36、率，R R 值隨入射光波長(zhǎng)的不同值隨入射光波長(zhǎng)的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電池而變化，對(duì)不同材料制作的光電池R R值分別在短值分別在短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)。波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)處存在一截止波長(zhǎng)。 PiIRP哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 由上述分析可知，理想由上述分析可知，理想pnpn結(jié)太陽(yáng)電池可以用一恒定結(jié)太陽(yáng)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(lái)表及一理想二極管的并聯(lián)來(lái)表示。故理想示。故理想pnpn結(jié)太陽(yáng)電池的等效電路如圖所示。結(jié)太陽(yáng)電池的等效電路如圖所示。 考慮實(shí)際太陽(yáng)電池上存在泄漏電阻考慮實(shí)際太陽(yáng)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(shí)際等效電路如圖示。那么，實(shí)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(jié)太陽(yáng)電池的等效電路結(jié)太陽(yáng)電池的等效電路哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(jié)太陽(yáng)電池的結(jié)太陽(yáng)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(jù)圖所示理想等效電路，三股電流應(yīng)滿(mǎn)足如下都可忽略。根據(jù)圖所示理想等效電路，三股電流應(yīng)滿(mǎn)足如下關(guān)系：關(guān)系： Iph-IFI 其中理想其中理想pnpn結(jié)二極管的正向注入電流為

38、：結(jié)二極管的正向注入電流為： 式中式中I I0 0是是pnpn結(jié)反向飽和電流，結(jié)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(shù)，數(shù)，T T為絕對(duì)溫度。將式代入得到通過(guò)負(fù)載的電流：為絕對(duì)溫度。將式代入得到通過(guò)負(fù)載的電流： 1exp0kTqVIIFphphFIkTqVIIII 1exp0哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 這就是理想情況下負(fù)載電阻上電流與電壓這就是理想情況下負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，即太陽(yáng)電池的伏安特性。其曲線(xiàn)的關(guān)系，即太陽(yáng)電池的伏安特性。其曲線(xiàn)如圖所示。如圖所示。從式及其伏安特性曲線(xiàn)上，可以得出描述從式及其伏安特性曲線(xiàn)上，可以得出描述太

39、陽(yáng)電池的幾個(gè)輸出參數(shù)太陽(yáng)電池的幾個(gè)輸出參數(shù) （1 1）短路電流）短路電流I Iscsc，是，是V V=0=0時(shí)的輸出電流。時(shí)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(kāi)路電壓）開(kāi)路電壓V Vococ。令式中。令式中I I=0=0，則給出開(kāi)，則給出開(kāi)路電壓的理想值：路電壓的理想值： 1ln0IIqkTVphOC哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6L/klx L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開(kāi)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(shí)，入射光通量與光電器件工作電壓一定時(shí)，入射光通量與光電流的關(guān)系光電流的關(guān)系開(kāi)路電壓曲線(xiàn)：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性開(kāi)路電壓曲線(xiàn)：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線(xiàn)，當(dāng)照度為曲線(xiàn)，當(dāng)照度為2000lx2000lx時(shí)趨向飽和。時(shí)趨向飽和。短路電流曲線(xiàn)：光電流與照度之間的特性曲線(xiàn)短路電流曲線(xiàn)：光電流與照度之間的特性曲線(xiàn)開(kāi)路電壓短路電流短路電流哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(kāi))(mA流電

41、路短哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 3 3）太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率）太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)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(shí)際上，太陽(yáng)電池存在著實(shí)際上，太陽(yáng)電池存在著R Rs s 和和R Rshsh的影響。根據(jù)實(shí)際等效電路，的影響。根據(jù)實(shí)際等效電路，可以推導(dǎo)出實(shí)際太陽(yáng)電池的伏安特性可以推導(dǎo)出實(shí)際太陽(yáng)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 光電轉(zhuǎn)換效

42、率光電轉(zhuǎn)換效率是表征太陽(yáng)電池性能的最重要的參數(shù)。是表征太陽(yáng)電池性能的最重要的參數(shù)。闡述入射太陽(yáng)輻射功率計(jì)算的依據(jù)，闡述入射太陽(yáng)輻射功率計(jì)算的依據(jù)，再以硅再以硅pnpn結(jié)太陽(yáng)電池為主，兼顧其它種類(lèi)電池，結(jié)太陽(yáng)電池為主，兼顧其它種類(lèi)電池，討論理想情況下最大理論效率的一種考慮計(jì)算方討論理想情況下最大理論效率的一種考慮計(jì)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(yīng)。應(yīng)。太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6太陽(yáng)能電池的性能指標(biāo)太陽(yáng)能電池的性能指標(biāo)- -轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率 太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是指電池

43、將接收太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率是指電池將接收到的光能轉(zhuǎn)換成電能的比率到的光能轉(zhuǎn)換成電能的比率 晶硅類(lèi)理論轉(zhuǎn)晶硅類(lèi)理論轉(zhuǎn)換效率極限為換效率極限為29%29%。而現(xiàn)在的太陽(yáng)能電而現(xiàn)在的太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率為池的轉(zhuǎn)換效率為17%17%19%19%。因此。因此, ,太太陽(yáng)能電池的技術(shù)上陽(yáng)能電池的技術(shù)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6硅光電池的光譜特性硅光電池的光譜特性)(um波長(zhǎng)%相對(duì)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(zhǎng)與靈敏度

44、（量入射光波長(zhǎng)與靈敏度（量子效率）的關(guān)系子效率）的關(guān)系哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(xiàn)可看出，光電池的光譜特性決定于材料。從曲線(xiàn)可看出，硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波硒光電池在可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長(zhǎng)在長(zhǎng)在540nm540nm附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范附近，適宜測(cè)可見(jiàn)光。硅光電池應(yīng)用的范圍圍400nm400nm1100nm1100nm，峰值波長(zhǎng)在，峰值波長(zhǎng)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(nèi)應(yīng)用。電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 太陽(yáng)電池所利用太陽(yáng)電池所利用的太陽(yáng)能來(lái)源于太陽(yáng)的太陽(yáng)能來(lái)源于太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)中心發(fā)生輻射。太陽(yáng)中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)，連續(xù)的核聚變反應(yīng)，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(yáng)表面的發(fā)光式從太陽(yáng)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(duì)黑體絕對(duì)黑體的連續(xù)輻射光譜類(lèi)似的連續(xù)輻射光譜類(lèi)似( (見(jiàn)圖見(jiàn)圖) )。

46、太陽(yáng)輻射光譜太陽(yáng)輻射光譜AM0AM0和和AMl.5AMl.5哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 太 陽(yáng) 輻 射 經(jīng) 過(guò) 日太 陽(yáng) 輻 射 經(jīng) 過(guò) 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(gè)距離上，垂直于太陽(yáng)輻射方向單在這個(gè)距離上，垂直于太陽(yáng)輻射方向單位面積上的輻射功率基本上是個(gè)常數(shù)，位面積上的輻射功率基本上是個(gè)常數(shù)，稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。其數(shù)值是稱(chēng)為太陽(yáng)常數(shù)。其數(shù)值是1.353kW1.353kWm m2 2。 這是許多國(guó)家使用

47、這是許多國(guó)家使用高空氣球、高空飛高空氣球、高空飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對(duì)太陽(yáng)輻宙飛船等對(duì)太陽(yáng)輻射進(jìn)行大量測(cè)試、射進(jìn)行大量測(cè)試、綜合而得到的公認(rèn)綜合而得到的公認(rèn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 目前世界上許多國(guó)家把太陽(yáng)常數(shù)作為計(jì)算太空用太陽(yáng)電目前世界上許多國(guó)家把太陽(yáng)常數(shù)作為計(jì)算太空用太陽(yáng)電池的入射光功率密度的依據(jù)，又稱(chēng)池的入射光功率密度的依據(jù)，又稱(chēng)AMOAMO光譜條件。光譜條件。 在此條件下測(cè)試太空用太陽(yáng)電池效率時(shí)，光源應(yīng)滿(mǎn)足圖在此條件下測(cè)試太空用太陽(yáng)電池效率時(shí)，光源應(yīng)滿(mǎn)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(cè)試溫，電池測(cè)試溫度為度為2525。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 AMOAMO光譜的太陽(yáng)光譜的太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣輻射經(jīng)過(guò)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(dá)地面時(shí)，到達(dá)地面時(shí)，光譜分布上，光譜分布上出現(xiàn)了許多吸出現(xiàn)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(yáng)輻射功率定投射于地面的太陽(yáng)輻射功率的最重要參數(shù)

49、是光穿過(guò)大氣層的最重要參數(shù)是光穿過(guò)大氣層通路的長(zhǎng)度。當(dāng)太陽(yáng)位于天頂通路的長(zhǎng)度。當(dāng)太陽(yáng)位于天頂，該長(zhǎng)度最短。，該長(zhǎng)度最短。任一實(shí)際光通路長(zhǎng)度與此最短任一實(shí)際光通路長(zhǎng)度與此最短長(zhǎng)度之比稱(chēng)為大氣質(zhì)量，符號(hào)長(zhǎng)度之比稱(chēng)為大氣質(zhì)量，符號(hào)記為記為AM(AirAM(Air Mass Mass的縮寫(xiě)的縮寫(xiě)) )。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6(3) (3) 頻率特性頻率特性 光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化

50、的關(guān)系。由于光電池光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PNPN結(jié)面積較大，極結(jié)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(yīng)曲線(xiàn)。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響響應(yīng)曲線(xiàn)。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線(xiàn)應(yīng)，如曲線(xiàn)2 2，而硒光電池則較差，如曲線(xiàn)，而硒光電池則較差，如曲線(xiàn)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6（4 4）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短

51、路電流隨溫度光電池的溫度特性是指開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見(jiàn)，開(kāi)路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。償措施。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200U UOCOC開(kāi)路電壓開(kāi)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(xiàn)度下的溫度特性曲線(xiàn)哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6 太陽(yáng)電池在光電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于存在各太陽(yáng)電池在光電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比上述的理論極種附加的能量損失，實(shí)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(jié)硅太陽(yáng)電池為例結(jié)硅太陽(yáng)電池為例, , 來(lái)闡述各種能來(lái)闡述各種能量損失之機(jī)理，作為改進(jìn)太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)及工量損失之機(jī)理，作為改進(jìn)太陽(yáng)電池的設(shè)計(jì)及工藝，提高其效率的基礎(chǔ)。藝，提高其效率的基礎(chǔ)。影響太陽(yáng)電池效率的一些因素影響太陽(yáng)電池效率的一些因素哈爾濱工業(yè)大

53、學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)2012.10.6太陽(yáng)電池效率損失中，有三種是屬于太陽(yáng)電池效率損失中，有三種是屬于“光學(xué)損失光學(xué)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(zhì)垂直入射到媒質(zhì)( (如如半導(dǎo)體材料半導(dǎo)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(xué)損失光生電流的光學(xué)損失式中式中n n為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射率率N N之實(shí)部，即普通折射率，之實(shí)部，即普通折射率，k k是其虛部，稱(chēng)為消光系數(shù)。是其虛部，稱(chēng)為消光系

54、數(shù)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(zhǎng)有關(guān)。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，其關(guān)都與入射光之波長(zhǎng)有關(guān)。對(duì)硅來(lái)說(shuō)，其關(guān)系曲線(xiàn)如圖所示。把系曲線(xiàn)如圖所示。把n n、k k的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的太陽(yáng)光譜中，超過(guò)的太陽(yáng)光譜中，超過(guò)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(shí)部硅折射率的實(shí)部n n與虛與虛部部k k與光子能量的關(guān)系與光子能量的關(guān)系哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(dǎo)體材料之最小厚度。決定了半導(dǎo)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(yáng)定義為柵指電極遮光面積在太陽(yáng)電池總面積中所占的百分比。對(duì)電池總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來(lái)說(shuō)，一般電池來(lái)說(shuō)，c c約為約為4%4%15%15%。PnPn結(jié)硅太陽(yáng)電池的截面圖結(jié)硅太陽(yáng)電池的截面圖間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。對(duì)于硅和度比直接帶隙的厚。對(duì)于硅和砷化鎵的計(jì)算結(jié)果示于圖中。砷化鎵的計(jì)算結(jié)果示于圖中。光生載流子的定向運(yùn)動(dòng)形成光光生載流子的定

56、向運(yùn)動(dòng)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(shù)。的總光子數(shù)。 dxdxqGHdxdeRcqHIxiph),(00)()(1)1)(00)(xieRcxG)()()(1)1)(),(Iphmax=qNph（Eg）)式中式中 ( ()為投射在電池上、波長(zhǎng)為為投射在電池上、波長(zhǎng)為，單，單位帶寬的光子數(shù)；位帶寬的光子數(shù)；i i為量子產(chǎn)額，即一個(gè)為量子產(chǎn)額，即一個(gè)能量大于帶隙能量大于帶隙E Eg g的光子產(chǎn)生

57、一對(duì)光生電子空的光子產(chǎn)生一對(duì)光生電子空穴對(duì)的幾率，通?？闪钛▽?duì)的幾率，通常可令i 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(zhǎng)為由波長(zhǎng)為、單、單位帶寬的光子射位帶寬的光子射進(jìn)材料在進(jìn)材料在x x處的產(chǎn)處的產(chǎn)生率。生率?？紤]上述三種光學(xué)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(xué)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(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)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(yáng)電池中，由硅材料體電在硅太陽(yáng)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(dǎo)電流的電阻構(gòu)成了電極本身傳導(dǎo)電流的電阻構(gòu)