非晶硅太阳能电池

2.4硅光电池光电池的结构特点光电池的基本原理光电池的基本特性电路分析和计算应用举例光电池•光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。•PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。•半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。光电池的结构特点•光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。•在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层•或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层光电池的结构特点•受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用•上电极做成栅状，为了更多的光入射•由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。光电池等效电路000{exp[()]1}[exp()1]LpLspssLpqIIIUIRkTIIqURRqUIIIkT为光电池等效电路中的恒流源为光电池等效二极管反向饱和电流,为电子电荷量为光电池输出电压为光电池等效电路中串联电阻，很小，可以忽略00ln(1)0pocscpscIIkTUqIUIII当，得到开路电压当，得到短路电流与入射光强度成正比开路电压与入射光强度的对数成正比•1.光电池工作原理硅光电池是在N型硅片中掺入P型杂质形成一个大面积的PN结,如图2.4.1所示。光电池的结构类似于光电二极管,区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低,约为0.1~0.01Ω·cm,而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为1000Ω·cm。上电极为栅状受光电极,下电极为衬底铝电极。栅状电极能减少电极与光敏面的接触电阻,增加透光面积。其上还蒸镀抗反射膜,既减少反射损失,又对光电池起保护作用。当光照射到PN结上时,如果在两电极间串接负载电阻,则电路中便产生了电流,如图2.4.2所示。图2.4.1硅光电池结构示意图NP下电极P—N结SiQ2抗反射模上电极（透明导电膜）图2.4.2硅光电池电原理图＋＋＋－－－PNmAV＋－RL光照•2.光电池的基本特性1)光谱特性光电池的光谱特性如图2.4.3所示。从图中可知,不同材料的光电池,峰值波长不同。SeSiGe0.40.811.52波长/m相对灵敏度/%501000图2.4.3光电池的光谱特性硅光电池响应波长0.4-1.1微米，峰值波长0.8-0.9微米。硒光电池响应波长0.34-0.75微米，峰值波长0.54微米。2)光照特性连接方式：开路电压输出---(a)短路电流输出---(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。硅光电池的光照特性,如图2.4.4所示。开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流---光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）图2.4.4硅光电池的光照特性0.30.20.1120.60.40.2020004000照度/lx光电流/mA光生电压/V0因此,光电池作为测量元件使用时,应利用短路电流与照度有较好线性关系的特点,可当作电流源使用,而不宜当作电压源使用。所谓短路电流是指外接负载电阻远小于光电池内阻时的电流。从实验可知,负载越小,光电流与照度之间的线性关系越好,而且线性范围越宽。负载在100Ω以下,线性还是比较好的,负载电阻太大,则线性变坏,如图2.4.5所示。图2.4.5硅光电池光照特性与负载的关系2.01.0020040060080010001.71002005001000照度/lx光电流/mA3)频率特性光电池的频率特性是指相对输出电流与光的调制频率之间的关系。所谓相对输出电流是指高频输出电流与低频最大输出电流之比。图2.4.6是光电池的频率特性曲线。在光电池作为测量、计算、接收器件时,常用调制光作为输入。由图可知硅光电池具有较高的频率响应（曲线2）,而硒光电池则较差（曲线1）。因此,在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池。总结：硅光电池频率特性好硒光电池频率特性差硅光电池是目前使用最广泛的光电池图2.4.6光电池的频率特性曲线100806040200150030004500600021f/HzIr/%•要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；•光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。4)温度特性光电池的温度特性是指开路电压Uoc和短路电流Isc随温度变化的关系。图2.4.7为硅光电池在照度为1000lx下的温度特性曲线。由图可知,开路电压随温度上升下降很快,但短路电流随温度的变化较慢。温度特性影响应用光电池的仪器设备的温度漂移,以及测量精度或控制精度等重要指标。当其用作测量器件时,最好能保持温度恒定或采取温度补偿措施。图2.4.7硅光电池的温度特性曲线Uoc/mVIsc/mAUocIsc60040020003060204060T/℃90开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度5)伏安特性所谓伏安特性,是在光照一定的情况下,光电池的电流和电压之间的关系曲线。无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。光电池伏安特性曲线反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加图2.4.8画出了按图2.4.2所示电路测量的、硅光电池在受光面积为1cm2的伏安特性曲线。图中还画出了0.5、1、3kΩ的负载线。负载线（如0.5kΩ）与某一照度(如900lx)下的伏安特性曲线相交于一点(如A),该点(A)在I和U轴上的投影即为在该照度（900lx)和该负载（0.5kΩ）时的输出电流和电压。图2.4.8硅光电池的伏安特性曲线900(lx)8007006005004003002001001002003004000.10.20.30.40.50.6I/mA0.5k1k3kAU/mV06)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时,光电池的性能是相当稳定的,使用寿命也很长。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。光电池的性能和寿命除了与光电池的材料及制造工艺有关外,在很大程度上还与使用环境条件有密切关系。如在高温和强光照射下,会使光电池的性能变坏,而且降低使用寿命,这在使用中要加以注意。表2.4.1给出了几种硅光电池的性能参数,以供参考。表2.4.1几种硅光电池的性能参数3.电路分析和计算1)作电流源使用光电池短路电流与照度有较好的线性关系,作为测量元件使用时,常当作电流源使用。光电池的受光面积,一般要比光电二极管和光电三极管大得多,因此它的光电流比后两者大,受光面积越大光电流也越大,适于需要输出大电流的场合。前面图2.4.8已给出了硅光电池的输出伏安特性曲线。由图可见,对于0.5kΩ的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段基本上相等,输出电流和电压随照度变化有较好的线性。而对于3kΩ的负载线,照度每变化100lx时,相应的负载线上的线段不等,输出电流和电压与照度的关系就会出现非线性。在光电检测中,在一定的负载下工作,希望输出电流和电压与照度成线性关系。要确定这样的负载线,只要将工作中最大照度(图中为900lx)的伏安特性曲线上的转弯点A与原点O连成直线,就是所需的负载线。在检测中,如要求光电池性能稳定,有好的线性关系,则负载电阻应取得小一些,电阻越小性能越好,即负载线应在OA线的左面。这时输出的电压虽有所减少,但光电流基本不变。反之,如果光电池的负载电阻已定,例如0.5kΩ,则线性关系成立的最大的照度(在图中为900lx)可从伏安特性曲线确定,照度超过此值,则电流和电压与照度成非线性关系。图中伏安特性曲线是在受光面积为1cm2的情况下得到的。如果受光面积不是1cm2,则光电流的大小应作相应改变。另外,由于不同光源频谱不同,当光源的种类不同(例如太阳光、白炽灯、萤光灯等)时,即使照度相同,光电池的输出也不相同,输出与照度成比例的范围(或最大照度)亦有区别。900(lx)8007006005004003002001001002003004000.10.20.30.40.50.6I/mA0.5k1k3kAU/mV0图2.4.9光电池接非线性负载的情况I/A120100806040200100200300400500U/mVA100200300400500600700800lxBIC－EIB(b)(a)光电池有时接非线性负载,例如接至晶体管基极,如图2.4.9(a)所示的情况。当硅光电池与锗管相接时,锗管的基极工作电压在0.2~0.3V之间,而硅光电池的开路电压可达0.5V左右(有负载时电压小于0.5V),因此,可把光电池直接接至锗管的基极使它工作。利用图2.4.9(b)的图解分析可知,当照度自100lx变至800lx时,锗管中的基极电流IB(图中光电池伏安曲线与锗管输入特性曲线AB的交点)和集电极电流IC=βIB与照度Eν几乎成线性变化。对于硅管,其基极的工作电压为0.6~0.7V,一个光电池不能直接控制它的工作。这时可用两个光电池串联;也可用如图2.4.10所示的电路。图中(a)和(b)分别用可变电阻RW和二极管D产生所需的附加电压,假设为0.3V至0.5V。这样光电池本身只需0.2V至0.4V的光电动势就可以控制晶体管的工作了。图2.4.10(a)中采用了可变电阻RW,其优点是光电池所需的附加电压可任意调节;(b)中采用了二极管D,其特点是对晶体管的工作点随温度的变化有补偿作用,但二极管的正向压降为确定的数值,不能任意调节。其工作情况,亦可用图2.4.9(b)的类似方法进行图解分析。光电计数器、光电继电器等开关电路经常采用图2.4.11所示的线路。图2.4.11用可变电阻RW、二极管D产生所需的附加电压RWIB＋EIB＋ED(a)(b)2)作电压源使用硅光电池的开路（负载电阻RL趋于无限大时）电压与照度的关系是非线性的,因此,作为测量元件使用时,一般不宜当作电压源使用。而且硅光电池的开路电压最大也只有0.6V左右,因此如果希望得到大的电压输出,不如采用光电二极管和光电三极管,因为它们在外加反向电压下工作,可得到几伏甚至十几伏的电压输出。但如果照度跳跃式变化,如从零跳变至某值,对电压的线性关系无要求,光电池可有0.5V左右(开路电压)的电压变化,亦可适合于开关电路或继电器工作状态。若要增加光电池的输出电压,类似于光电二极管可加反向电压,如图2.4.12(a)所示,有时为了改善线性亦可加反向电压。为加以说明,光电池的伏安特性曲线画于图2.4.12(b)。图中画出了光电池加反向电压时的负载线A′B′和不加反向电压时的负载线AB。在相同负载电阻RL情况下,这两条负载线互相平行。显然,工作于A′B′段要比工作于AB段为好,在同样的照度变化下(自0变至3Φ),不论电压或电流变化的大小都成线性关系。但光电池加反向电压后的暗电流和噪声有所增大,因而要选用反向暗电流小的光电池,并注意光电池不能因加反向电压而击穿。图2.4.12(a)电路；(b)伏安特性曲线arctanRL1AarctanRL1UBB′A′E＝0或＝0EEE＋E(a)(b)O光电池的应用•1、光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。•2、将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。硅太阳能电池•硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。•单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。•多晶硅半导体材料的价格比较