基于光生伏特效应的光电元件

光电池是一种利用光生伏特效应把光直接转换成电能的半导体器件。由于它广泛用于把太阳能直接变成电能，因此又称太阳能电池。通常，把光电池的半导体材料的名称冠于光电池 （或太阳能电池）名称之前以示区别，例如硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、锗光电池等。Ⅳ族、Ⅵ族单元素半导体和Ⅱ—Ⅵ族、Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，均可用作光电池。硅光电池价格便宜、光电转换效率高、寿命长，比较适于接收红外光，因此应用最广，也是最有发展前途的光电池。砷化镓光电池的理论光电转换效率比硅光电池稍高一点，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，而且工作温度最高，具有较高的抗宇宙射线能力，因此在宇宙电源方面的应用有广阔的发展前景。

1.光电池的结构、原理

硅光电池的结构如图10－7（a）所示，在0.1～1Ω·cm的N型硅片上，扩散硼形成P型层，然后在P型和N型层引出引线，形成正、负电极。如果在两电极之间接上负载RL，则受光照后便会有电流流过。为了提高效率，防止表面反射光，在光电池受光面还蒸镀抗反射膜（Si O2），同时起到减小反射损失和保护作用。

光电池的工作原理是：当光照到PN结区时，如果光子的能量足够大，在结区附近激发出电子—空穴对。在PN结电场的作用下，N区的光生空穴被拉到P区，P区的光生电子被拉到N区，如图10－7（b）所示。结果，在P区和N区分别积累了正、负电荷，P区与N区之间就出现了电位差。若将正、负电极用导线连起来，电路中便有电流流过，电流方向由P区经过外电路流至N区。若将外电路开路，便可测出光生电动势。

光电池的符号、基本电路和等效电路如图10－7（c）所示。

图10－7 硅光电池结构与原理

（a）硅光电池的结构；（b）光电池的工作原理；（c）光电池的符号及电路

2.光电池的基本特性

（1）光谱特性

硅、硒光电池的光谱特性如图10－8（a）所示。随着制造业的进步，硅光电池已具有从蓝紫到近红外的宽光谱特性。目前许多厂家已生产出峰值波长为0.7μm（可见光）的硅光电池，在紫光 （0.4μm）附近仍有65％～70％的相对灵敏度，这大大扩展了硅光电池的应用领域。硒光电池由于稳定性差，目前应用较少。

（2）光照特性

光照特性表示光生电动势、光电池与照度之间的关系。硅光电池和硒光电池的光照特性如图10－8（b）所示。由图10－8（b）可见，光电池的短路电流ISC与照度L呈线性关系，且受光面积越大，短路电流也越大。因此，当光电池做测量元件使用时，应取短路电流形式。光电池的光生电动势，即开路电压UOC与照度L为非线性关系，当照度为2000lx时便趋向饱和。

需要指出的是，所谓光电池的短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下的内阻是不相同的。因此，把光电池作为电流源使用时应选取适当的负载近似满足 “短路”条件。由实验可知，对于硅光电池，负载在100Ω以下时，光电池与照度之间的线性关系较好。硅光电池的光电流与照度关系曲线如图10－8（c）所示。

（3）频率特性

光电池的频率特性是指相对输出电流I（％）与光输入的调制频率f之间的关系。光电池用作测量、计数时必须考虑它的频率特性。如图10－8（d）所示，硅光电池的频率特性要比硒光电池好得多。因此，在高速计算器中一般采用硅光电池。

图10－8 光电池的基本特性曲线

（a）光谱特性；（b）光照特性；（c）硅光电池I—L曲线；（d）频率特性；（e）温度特性

（4）温度特性

光电池的温度特性是指在一定照度下开路电压UOC、短路电流ISC与温度之间的关系。硅光电池在1000lx照度下的温度特性如图10－8（e）所示。由图10－8（e）可见，开路电压UOC具有负的温度特性，下降率约为3m V／℃；短路电流在一定温度范围内（约70℃）具有正的温度特性，上升率约为2×10－6A／℃；超过一定温度后，短路电流表现出负温度特性。

温度特性是光电池的重要指标之一。它关系到应用光电池仪器、设备的温漂，影响到测量精度和控制精度等指标。因此，光电池作为测量元件使用时，应保证工作环境温度恒定或采取温度补偿措施。