南京理工大學《光電技術》

1、 黑體輻射器產生穩(wěn)定輻射的關鍵技術是什么？請用黑體輻射的有關定律解釋。答：黑體輻射器產生穩(wěn)定輻射的關鍵技術是精密恒溫控制，根據斯忒潘-玻爾茲曼定律M=ImdX=aT4，黑體發(fā)射的總輻出度與溫度的四次方成正比，e,s0e,s,九因此，要產生穩(wěn)定輻射，精密恒溫控制是非常關鍵的技術。2、如果在PN結上加正向偏壓，光電效應會發(fā)生什么變化？發(fā)生變化的原因是？答：光電效應表現會變得不明顯。當入射輻射作用在半導體PN結上產生本征吸收時，價帶上的光生空穴與導帶中的光生電子在PN結內建電場的作用下分開，結果P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電。PN結加正向偏壓時，光照時仍然可有光電效應，但內建電場被削弱，光生電子-空穴對分離變弱，從而光電效應表現不明顯。3、已知某激光器的輸出功率為6mW,波長九=635nm。該激光束的平面發(fā)射角為2mrad，激光束直徑為1mm。求該激光束的光通量、光亮度。答：根據表13，當波長為635nm時，視見函數為0.217，因此光通量：①=CV）①=683x0.217x6x10-3=0.889lmv 九e光束立體角為：G-cos（0/2））=4兀［sin?G-cos（0/2））=4兀［sin?/4）］200其中e為平面發(fā)射角，當e很小時，上式可以簡化為:Q==冗02/4=冗x10-6sr激光束橫截面積為：光亮度為：激光束橫截面積為：光亮度為：A=nr2=7.85x10-7m2t dt d2①L= v—vdQdAcos0=3.6x1011cd/m24、熱噴槍出風口的溫度為400~600攝氏度,若將其視為絕對黑體。當出風口溫度為400攝氏度時,計算其總輻出度

2）其峰值輻射波長位于哪個波段。答：出風口的絕對溫度為T=400+273=673K,根據斯忒潘-玻爾茲曼定律，出風口的總輻射度為:=cT4=116316/m2e,s根據維恩位移定律，熱噴槍出風口的絕對溫度為673?873K，則其峰值輻射波長為九=2898/T=4.306 ）m1九=2898/T=3.319（卩m）m2 2因此其峰值輻射波長位于中紅外波段。5、硅是地殼中儲量最豐富的礦物之一，在表層占25.8%，所以在各種太陽能電池中，硅光電池統治著光伏電池的市場。在AM1.5光譜條件下，硅的帶隙為1.12ev，理論上硅光電池光電轉換效率的熱力學極限為33%，但實際上硅光電池的轉換效率無法達到這一數值。如圖1（a）所示為背點接觸式硅光電池，（b）為太陽光光譜，光譜范圍為0.25-2.5ym，包括從紅外線到紫外線，其中，可見光占44%，紫外光占7%，紅外光占48%左右，光波長越長，能量越小。a)圖1背點接觸式硅光電池■c-匚a)圖1背點接觸式硅光電池■c-匚=|口l±EjA=SUSJ_」-L呂一！ESEO:硅Wavelength/ym1） 解釋背點接觸式硅光電池的工作原理2） 與電極為上下結構的傳統太陽能電池相比，背點接觸式硅光電池的優(yōu)勢有哪些？3） 從能級躍遷角度出發(fā)解釋為什么硅光電池轉換效率無法達到熱力學極限。答：1、背點接觸式硅光電池的工作原理硅光電池的工作原理就是利用半導體的光電效應和PN結原理。光電效應就是在光照的作用下，半導體內部的電荷分布被改變，產生電勢差。當光照射到具有PN結的半導體上時，半導體內部的電子吸收光子的能量，發(fā)生躍遷，產生的電子-空穴對到達空間電荷區(qū)，如圖5-1所示，在空間電荷區(qū)內建電場（n區(qū)指向p區(qū)）的作用下，電子向n區(qū)運動，被n區(qū)電極收集，空穴向p區(qū)運動，被p區(qū)電極收集，因此，在半導體的n區(qū)和p區(qū)分別集聚了大量的電子和空穴，就會形成一個與內建電場方向相反的電場，這個電場稱為光生電場。由于與內建電場方向相反，光生電場的一部分會被抵消掉，剩下的部分使n區(qū)與P區(qū)之間形成電勢差，稱為光生伏特效應。由于光照產生的電子和空穴向相反的方向運動，就會形成光生電流，這就是硅光電池的工作原理員載一衣陽光前電極nE員載一衣陽光前電極nEpE背電極圖5-1硅光電池光生伏特效應2、 與傳統太陽能電池相比，背點接觸式硅光電池的優(yōu)勢主要有：避免上電極對光的遮擋，增加有效光照面積，減小光學損失；電池受光面沒有電極的干擾，可以提供更好的表面面型以及更低的反射率；背點式硅光電池正負能級接觸面積大，降低了電池串聯電阻。3、 從能級躍遷角度出發(fā)解釋為什么硅光電池轉換效率無法達到熱力學極限硅的帶隙為1.12ev，則其光波長玻限為he1.24

九<—= =1?1卩mlE1.12g因此，波長大于1.1pm的光，其其光子能量小于硅的帶隙1.12ev，因此不能激發(fā)電子躍遷，無法產生電子-空穴對，光子能量轉換成熱量損耗掉。如圖5-2所示，太陽光的光譜范圍為0.25-2.5pm，包括從紅外線到紫外線，其中，可見光

占45%，紫外光占7%,紅外光占48%左右，光波長越長，能量越小，大約有25%的太陽光能量無法轉換為電能，因此硅光電池轉換效率無法達到熱力學極限。一LUULEfmd>ocE-ptn.t一LUULEf