光电效应-光电池

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❖ 3.光电池电路符号与外观
I
I
I
Id
U
U RL
a)光电池符号
b)基本工作电路
c)光电池等效电路
图7-38 光电池符号和基本工作电路
图7-39 常见光电池的外观
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 1.光谱特性
❖ 图7-40可见，硒光电池在可 见光谱范围内有较高的灵敏 度，峰值波长在540nm附近， 在人眼的视觉范围内，因此 适宜测量可见光。硅光电池 应用的光谱范围是400nm— 1100nm，峰值波长在 850nm附近，其光谱应用范 围比硒光电池的更宽。
图7-41 光电池的光照特性
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7.6.2 光电池特性及参数
I / mA
RL 0 50
100 1000
5000
L / Klx
图7-42 硒光电池在不同负载时的光 照特性
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 3.频率特性
❖ 光电池的频率特性是指I其/ %输 出电流随调制光频率变化的 关系。由于光电池PN结面积 较大，极间电容大，故频率 特性较差。
宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。
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硒光电池:光电转换 效率低、寿命短， 适于接收可见光
应用砷化镓光电池的太阳能赛车
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位于西藏藏北无人区西部尼玛县新建成的光伏电站用来发电的大型 硅光电池版。
现代化走进藏北高原无人区：大型硅光电池
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应用前景 ——应用：电子脉搏计
光电池除了能用于产生清洁能源外，在医学和检测方面也有其用武之地。
当小灯泡发出的光透过 指尖射到硅光电池上，光电池 的两电极之间就有电压产生。
由于指尖微血管里的血 液随着心脏跳动发生相应与脉 搏的容积变化，因而使得透过 指尖射到光电池的光的强弱也 发生相应的变化，电压即随之 变化。
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太阳谷
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应用前景
❖ 理想化的前景 ❖ 照射在地球上的太阳能非常巨大，大约４０分钟照射在地球
上的太阳能，便足以供全球人类一年的能量消费。可以说， 太阳能是真正取之不尽，用之不竭的能源。而且太阳能发电 绝对干净，不产生公害。所以太阳能发电被誉为最理想的能 源。从太阳能获得电力，需通过太阳能电池进行光电变换来 实现。
它同以往其他电源发电原理完全 不同，具有以下特点： ①无枯竭危险；②绝对干净；③ 不受资源分布地域的限制；④可 在用电处就近发电；⑤能源质量 高；⑥使用者从感情上容易接受； ⑦获取能源花费的时间短。
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应用前景
❖ 虽然太阳能发电有非常广阔的 前景，但是太阳能发电就目前 来说还未真正达到实用水平。
光电池
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7.6 光电池
❖ 光电池是一种用途很广的光敏器件，其优点是体积小、 重量轻、寿命长、性能稳定、光照灵敏度较高、光谱 响应频带较宽且本身不耗能，是小型化、微功耗仪器 中常用的换能器件。当光电池受到光照时不需要外加 其它形式的能量即可产生电流输出，电流大小反应了 光照强度大小。
将对应于脉搏的电信号 发达，在示波器上就可以显示 出脉搏波。
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应用前景 ——非晶体硅光电池
❖ 家庭化的应用 ❖ 太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散地进行，所以它适合
于各家各户分散进行发电，而且要联接到供电网络上。太阳电池日益成为家 用电器的“能源心脏”。
❖ 1. 太阳能电话。以太阳能作能源的无线电话已在英国一家无线电公司问世。 它利用顶端上装的太阳能接收板，可以不断给电池充电。使用者的声音通过 无线电波输入附近的电话交换机，再传送到各地电话通讯网去。巴黎伏德瓦 特公司制作的太阳能收费公用电话，耗电量极低，只要在阳光下充电几小时 ，便足够使用１０多天。
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7.6.3部分常用光电池的型号参数
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7.6.4 光电池的应用
❖ 1.太阳能电池电源
阻塞二极管
太阳 电池 方阵
调节控制器
蓄 电 池
直
逆
交
流
变
流
负
器
负
载
载
图7-45 太阳能电池电源系统示意图
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应用前景 ——应用：太阳能充电器
太阳能充电器是将太阳能转换为电能以后存储在 蓄电池里面，蓄电池可以为任何形式的蓄电装置，主要为 铅酸电池、锂电池、镍氢电池，负载可以是手机等数码产 品，负载是多样性的。
硅光电池 硒光电池
❖ 从光电池的频率响应曲线
（图7-43）可知，硅光电池
f / kHz
频差率。响应较好而硒光图电池7-4较3 光电池的频率特性
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 4.温度特性
❖ 光电池的温度特性是指其开Uoc / mv 路电压和短路电流随温度60变0 Uoc
Isc / mA
❖ 光电池是一种不需加偏置电压就能把光能直接转换成 电能的PN结光电器件，按光电池的功用可将其分为两 大类：即太阳能光电池和测量光电池。
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光电池发展历史
❖ 1839年，安托石-贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电 池是一个圆柱体，内装硝酸铅溶液，溶液中进入一个铅阳极和 一个氧化铜阴极。这种电池一经阳光照射，就会供给电流。
Isc
60
化的关系。由图7-44可见， 400
40
开路电压与短路电流均随温
度的变化而变化，它将关20系0
Uoc 开路电压曲线
20
到应用光电池的仪器设备的
Isc 短路电流曲线
温度漂移，影响到测量或控0
制精度等主要指标。
40
60
90
T/C
图7-44 硅光电池在1000lx下的温度 特性曲线
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❖ 太阳能光电池主要用作向负载提供电源，对它的要求主要是光 电转换效率高、成本低。由于它具有结构简单、体积小、重量 轻、高可靠性、寿命长、可在空间直接将太阳能转换成电能的 特点，因此成为航天工业中的重要电源，而且还被广泛地应用 于供电困难的场所和一些日用便携电器中。
❖ 测量光电池的主要功能是作为光电探测，即在不加偏置的情况 下将光信号转换成电信号，此时对它的要求是线性范围宽、灵 敏度高、光谱响应合适、稳定性高、寿命长等。它常被应用在 光度、色度、光学精密计量和测试设备中。
阳光 阳极— 铅 氧化铜 — 阴极
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硝酸铅溶液
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光电池发展历史
❖ 1875年，德国技师维尔纳-西门子是制成第一个硒光电池，并提 议用于光量测定。西门子的光电池是根据1873年英国人史密斯 发现的“内光电效应”提出的。
❖ L.H.亚当斯于1876年指出，硒在光的作用下，不仅出现电阻的 变化，而且在一定条件下还出现电动势，从而发现了“阻挡层效 应”。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。光电池被广泛地用 于自动控制技术、信息电子学和测量技术。这些元件的性能约 自1950年起，因半导体技术的发展而得到显著改善。
❖ 要真正达到使用水平：
❖ 一是要提高太阳能光电变换效 率；
❖ 二是要降低成本； ❖ 三是要实现大面积的稳定的集
成太阳能电池； ❖ 四是要实现太阳能发电同现在
的电网联网。
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相
硒
硅
对
灵
敏
度
I/%
入射光波长 / nm
图7-40 光电池的光谱特性
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7.6.2 光电池特性及参数
❖ 2.光照特性
Isc / mA 开路电压
Uoc / V
Isc / mA 开路电压
Uoc / V
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短路电流
短路电流
L / Klx
L / Klx
a 硅光电池
b)硒光电池
•集成型非晶硅太阳 能电池是有若干分 立小电池组合而成 的，类似与太阳能 电池组合板。
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7.6.1 光电池原理与结构
❖ 1.ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电池原理
光
SiO2
光
I
RL
a）光电池的结构图
b）光电池的工作原理示意图
图7-37 光电池的结构和工作原理示意图
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❖ 2.光电池结构
❖ 光电池实质是一个大面积的PN结，其结构如图7-37a 所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反 射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底 铝。当光照射PN结的一个面时，由此产生的电子空穴 对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有 关的电动势，一般可产生0.2V～0.6V电压，约50mA 左右大小电流。
❖ 2. 太阳能冰箱。 ❖ 3. 太阳能空调器。 ❖ 4. 太阳能电视机。 ❖ 5. 太阳能照相机。 ❖ ……
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应用前景
❖ 光电池行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在 电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电 池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重 视。
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按材料分：
❖ 光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池 、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光
。 电池和硒光电池
❖ 硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光
❖ 硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。
❖ 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳 光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于