光生伏特效应
传感器与检测技术 开卷简答题
1、光生伏特效应如何产生？答：当光照射到距表面很近的PN节时，如果光能足够大，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，电子就能从价带跃迁到导带，成为自由电子。
由于光生电子、空穴在扩散过程中会分别于半导体中的空穴、电子复合，因此载流子的寿命与扩散长度有关。
只有PN结距表面的厚度小于扩散长度，才能形成光电流产生光生电动势。
2、什么是压电效应？压电传感器有哪些？答：当某些晶体沿一定方向伸长或压缩时，在其表面上会产生电荷，这种效应成为压电效应。
压电传感器有压电加速度传感器、压电谐振式传感器、声表面波传感器。
3、当吸附膜是绝缘材料、导电体或金属氧化物半导体时，SAW气敏传感器的敏感机理？答：当薄膜是绝缘材料时,它吸附气体引起密度的变化,进而引起SAW延迟线振荡器频率的偏移;当薄膜是导电体或金属氧化物半导体膜时,主要是由于导电率的变化引起SAW延迟线振荡器频率的偏移。
4、简说马赫―泽德(Mach―Zehnder)干涉仪的工作原理。
5、简述光纤传感器的优点？1.具有很高的灵敏度2.频带宽动态范围大3.可根据实际情况做成各种形状4.可以用很相近的技术基础构成传感不同物理量的传感器，这些物理量包括声场、磁场、压力、温度、加速度、转动、位移、液位、流量、电流、辐射等等。
5.便于与计算机和光纤传输系统相连，易于实现系统的遥测和控制。
6.可用于高温、高压、强磁干扰、腐蚀等各种恶劣环境。
7.结构简单、体积小、重量轻、耗能少。
6、相位跟踪系统是由什么组成的并简述它的功能？相位跟踪系统是由电路系统和光纤相位调制器组成的。
1.抵消任何不必要的大的低频相位漂移，使干涉仪保持平衡，2.提供保证干涉仪在正交状态下工作的相移。
7、什么叫安时特性流过热敏电阻的电流与时间的关系，称为安时特性8、数值孔径的定义光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥内的光线一旦进入光纤，就将被截留在纤芯中，此光锥半角的正弦称为数值孔径9、什么叫绝对湿度在一定温度和压力条件下，单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量为绝对湿度10、光纤优点：1抗电磁干扰能力强2柔软性好3光纤集传感与信号传输与一体，利用它很容易构成分布式传感测量11、光纤分类：一功能型①光强度调制型②光相位调制型③光偏振态调制型二非功能型①光线位移传感器②光纤温度传感器12、光导纤维为什么能够导光？光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。
传感器名词解释
8、电涡流效应 电涡流的产生要消耗一部分能量，从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象。
9、零点残余电压 指衔铁位于中间位置时的差动输出电压。
10、应变效应：导体和半导体材料在外力作用下产生机械变形，其电阻发生变化的现象
11、热电效应：两种不同的金属导体组成闭合回路，用酒精灯加热其中一个接触点（结点），发现放在回路中的指南针发生了偏转，如果用两个酒精灯对两个结点同时进行加热，指南针偏转的角度反而减小，由此可知闭合回路中存在电动势并且有电流产生。电流的强弱与两个结点的温度有关的现象
6、正压电效应：又称顺压电效应，指某些电介质，当沿一定方向对其施加压力而其变形时，它的内部就会产生极化的现象，同时在它的两个表面会产生极性相反的电荷，当施加的压力去掉后，他又重新恢复不带电的状态；当压力的作用方向改变时。它内部的极性也随着改变。
7、逆压电效应：又称电致伸缩效应，是指当在电解质的极化方向施加电场，这些电解质就会在一定的方向上产生机械变形或机械压力，当施加的电场撤去时，这些机械变形或机械压力也随之消失的现象。
一、名词解释
1、传感器：指能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的元件或装置。
2、绝对误差：指被测量的测量值与被测量的真值之间的差值。
3、外光电效应：指在光线的作用下使电子逸出物体表面的光电效应。
4.、内光电效应：指在光的作用下使物体的电阻率发生改变的光电效应。
5、光生伏特效应：指在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象。
12、霍尔效应：把霍尔元件置于磁感应强度为B的磁场中时，磁场方向垂直于霍尔元件，当有电流I流过霍尔元件时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生感应电动势，这种现象称为霍尔效应。
光电效应(精)
指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光 敏电阻即属此类光电器件。
3 、光生伏特效应（阻挡层光电效应，光生伏打效应）
利用光势垒效应，即在光的照射下，物体内部产生一定方 向的电动势的现象，又将之称为阻挡层光电效应。 光电池、光敏二极管、光敏三极管等属于这类光电器件。 由于光电器件响应快、结构简单，而且有较高的可靠 性等优点，在自动测试及控制中得到极为广泛的应用。
光电效应
光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后产生 的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为三大类型：
外光电效应 内光电效应 光生伏特效应（阻挡层光电效应）
1、外光电效应
指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光 电管及光电倍增管均属这一类光电器件。它们的光电发射 极，即光阴极就是用具有这种特性（即外光电效应）的 材料制造的。
内光电效应
内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。
根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
（2）光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。
基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。
①势垒效应（结光电效应）。
接触的半导体和PN 结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。
以PN 结为例，光线照射PN 结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N 区外侧，被光激发的空穴移向P 区外侧，从而使P 区带正电，N 区带负电，形成光电动势。
②侧向光电效应。
当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。
当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照。
光伏发电原理
光伏发电原理光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。
这种技术的关键元件是太阳能电池。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
[1]光生伏特效应如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P 型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
[2]编辑本段原理太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光电效应太阳能电池的工作原理。
一、太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。
（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。
前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。
（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
光生伏特效应的工作原理
光生伏特效应的工作原理光生伏特效应（Photovoltaic Effect）是指在特定材料中，当光照射到其上时，会引发电荷的分离和产生电流的现象。
这一效应是太阳能电池及其他光电器件运转的基础，其工作原理的理解对于光伏发电等领域的研究和应用具有重要意义。
光生伏特效应的工作原理可以通过以下几个方面来解释。
1. 半导体特性在解释光生伏特效应之前，有必要了解半导体材料的基本特性。
半导体属于介于导体和绝缘体之间的一类材料，其导电特性可以通过控制材料中的杂质和缺陷来改变。
常用的半导体材料有硅和锗。
2. 光的能量转化当光照射到半导体材料的表面时，光子的能量会被材料中的原子或分子吸收，并促使电子跃迁到更高能级。
这个过程涉及到光子的能量大于电子与原子结合所需的能量。
3. 电子的分离与漂移在光照射后，能量较高的电子和空穴（所谓的缺电子位）被激发出来。
电子和空穴以不同的方式分离并朝相反的方向运动。
这个分离过程发生在材料内部的PN结，其中P区富含空穴，N区富含自由电子。
4. 电势差的产生当电子和空穴分离后，由于它们分别位于不同的区域，就形成了电荷堆积和电势差。
这个电势差会引导形成电流，并产生电压差，即光生电动势。
根据奥姆定律，电流与电压成正比。
5. 界面效应光生伏特效应还与半导体与其他电子器件之间的界面有关。
当光生电荷流经半导体与外部电路之间的接触面时，界面效应会影响电流和电压的传输，并可能导致功率损耗或效率降低。
总结回顾：光生伏特效应是光电效应的基础，通过光照射到半导体材料中，产生电子与空穴的分离和漂移，从而产生电流和电势差。
这个效应在太阳能电池及其他光电器件中被利用，通过光的能量转化为电力。
在应用上，光生伏特效应的工作原理可以用来解释太阳能发电、太阳能电池及其他光电器件的运行原理，以及如何提高其效率和稳定性。
我的观点和理解：光生伏特效应的工作原理深入浅出地阐述了光照射到半导体材料时产生的电势差和电流的产生过程。
这一理论对于我个人对于太阳能发电和光电器件的了解提供了重要基础。
光电效应总结
★光电效应光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。
在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响定律定义光电效应光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。
这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectric effect）。
光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。
前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。
后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。
按照粒子说，光是由一份一份不连续的光子组成，当某一光子照射到对光灵敏的金属(如硒)上时，它的能量可以被该金属中的某个电子全部吸收。
电子吸收光子的能量后，动能立刻增加;如果动能增大到足以克服原子核对它的引力，就能在十亿分之一秒时间内飞逸出金属表面，成为光电子，形成光电流。
单位时间内，入射光子的数量愈大，飞逸出的光电子就愈多，光电流也就愈强，这种由光能变成电能自动放电的现象，就叫光电效应。
赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。
光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。
临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。
还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。
可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，电子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。
正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。
太阳电池工作原理简介
太阳电池工作原理简介PN结光生伏特效应的原理{光的吸收{空穴、电子对的产生{载流子的分离{产生光生电动势当一束光照射到半导体表面上，被半导体材料吸收的光会激发材料内的电子从价带跃迁到导带，从而产生电子空穴对；若电子空穴对产生于PN结内部，电子空穴对立刻就会被很强的PN结内建电场分离，空穴向P区运动，电子向N区运动，并被扫出势垒区；对于光在PN结势垒区外激发产生的电子空穴对，只要它们热运动到势垒区边缘，N区势垒边缘处的空穴会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入P区，而P区势垒边缘处的电子则会被立刻扫入势垒并渡越势垒进入N区；这样会建立起从基区到势垒区以及发射区到势垒区的少数载流子的浓度梯度，使得光照在基区和发射区产生的非平衡少数载流子通过扩散运动源源不断地到达势垒区边缘，并被PN结内建电场扫入对方形成多数载流子；由此可知，光照产生的空穴会在P区积累，使P区的电势升高；光照产生的电子会在N区积累，使N区的电势降低；从而在PN结两端建立起光生电动势（与PN结内建电场的方向相反，并使PN结正向偏置）。
如果将PN结两端与包含负载的外电路相连，光生电动势就会在回路中产生电流，从而对负载做功，这就是太阳电池的基本工作原理——光生伏特效应。
太阳电池的等效电路图I L 代表光生电流，一个处于恒定光照下的太阳电池，其光电流不随负载变化，可以看成是一个恒流源；由于光生电动势使PN结正向偏置，因此存在一个流经二极管的漏电流，该电流是非线性的，并与光生电流的方向相反，会抵消部分光生电流，被称为暗电流ID ；由于存在电池边缘漏电或PN结结区漏电，用Rsh 代表太阳电池的并联电阻；Rs是太阳电池的串联电阻，它主要由金属电极与半导体材料的接触电阻造成。
太阳电池的工作特性方程二极管反向饱和电流的物理意义二极管反向饱和电流的表达式P max1/Rm•短路电流I•最佳工作点：当负载阻值从0→∞变化时，总存在一个负载值R m ，它可从太阳电池获得最大的输出功率P m 。
太阳电池原理及基本特性
பைடு நூலகம்
第二节 太阳电池原理及基本特性
太阳电池原理及基本特性
目录
p-n结的光生伏特效应 结的光生伏特效应 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的电流电压特性 太阳电池的基本参数 如何提高电池的光电转换效率 太阳辐射基本知识
太阳电池原理及基本特性
1. p-n结的光生伏特效应
当用适当波长的光照射非均匀半导体（ 当用适当波长的光照射非均匀半导体（p-n结等）时， 适当波长的光照射非均匀半导体 结等） 由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势 由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部产生电动势 ）， （光生电压）；如将p-n结短路，则会出现电流（光生电流 光生电压）；如将p 结短路，则会出现电流（ ）；如将 ）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。 ）。这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应。 这种由内建场引起的光电效应称为光生伏特效应
hν ≥ Eg
前电极
太阳电池基本结构
太阳电池原理及基本特性
1. p-n结的光生伏特效应
平衡p-n结： 在p-n结处形成耗尽区，其 中存在着势垒电场，该电场的方 向由n区指向p区。 ——内建电场
光照：在N区、耗尽层P区产生电子-空穴对。多数载流子浓 度改变较小，而少数载流子浓度变化很大，主要研究少数 载流子的运动。
(
qV k0T
−1
)
k0T IL − I V= ln +1 q IS
（1）开路电压 Voc p-n结开路情况下，R=∞，此时流经R的电流 I=0 ，则得： IL = ID
太阳电池原理及基本特性
3. 太阳电池的基本参数
开路电压为：
k0T IL Voc = q ln +1 IS
光电效应
1 2
（1-87）
抛物线关系。 进行微分得
1 1 bd e,2 dg q d e, 3 2 h K l f
1 2
（1-88）
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
补充例题：倘若已知光生伏特器件的光电流分 别： I Φ1=300mA ，I Φ2=100mA ,且 IΦ >> ID ，测得开路 电压为： 求开路电压 UOC1= ？设T=300K UOC2=520mV，
解：因为 IΦ >> ID 所以 U OC
KT I ln( 1) q ID
可以写成： U OC
3. 丹培（Dember）效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另一部分 被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况下，将产生高 密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载流子浓度很低，形成
浓度差。
这种由于载流子迁
移率的差别产生受
照面与遮光面之间 的伏特现象称为丹 培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
光电效应。
外光电效应中光电能量转换的基本关系为
1 2 h mv0 Eth 2
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
（1-99）
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上
的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示，
U OC
KT I ln( 1) q ID
（1-91）
光电二极管在反向偏置的情况下，输出的电流为
第三章光生伏特器件2-1介绍
其中的小实箭际头上表，示不正是向不电能流加的正方向向电（压普，通只整是流正二极管中规 定的正方接向以）后，就光与电普流通的二方极向管与一之样相，反只。有图单中向的前极为光 照面，后导极电ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性背，光而面表。现不出它的光电效应。
2、光电二极管的电流方程
在无辐射作用的情况下（暗室中），PN结硅光电二 极管的正、反向特性与普通PN结二极管的特性一样，如 图3-2所示。其电流方程为
限制PN结硅光电二极管时间响应的主要因素。
另一个因素是PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻 RL构成的时间常数τRC，τRC为
PN结电容由势垒电R容C Cc b和j(扩Ri散电R 容L)Cd组成。（3-5）
普电势负垒 离容通电子CP容，Nj常各C结为b具是硅几有由光一个空电定间P二的f电，电荷极在量区管负。引的当载起管外的电加芯。阻反空内R向间阻L低电电R压荷于i约变区5大为0内0时有2Ω5，不时0空能Ω，间移，时电动P荷间的N区正结常 数 变宽也，在存n储s的数电量荷级量。增但加；是当，外当加负反载向电电压阻变R小L很时，大空时间，电时荷区间变常
•与光电池相比：
共同点：均为一个PN结，利用光生伏特效应， SiO2保护膜
不同点： （1）结面积比光电池的小，频率特性好
（2）常在反偏压下工作 （3）衬底材料的掺杂浓度不同，光电池高
•国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为 2CU和2DU两种系列。
光电二极管可分为以P型硅为衬底的2DU型与以N型 硅为衬底的2CU型两种结构形式。 图3-1（a）所示的为2DU型光电二极管的原理结构图。 图3-1（b）为光电二极管的工作原理图 图3-1（c）所示为光电二极管的电路符号
PIN型光电二极管
为了提高PN结硅光电二极管的时间响应，消除在PN 结外光生载流子的扩散运动时间，常采用在P区与N区之 间生成I型层，构成如图3-6（a）所示的PIN结构光电二 极管，PIN结构的光电二极管与PN结型的光电二极管在外 形上没有什么区别，都如图3-6（b）所示。
光电效应1
光电式传感器
在PN结交界面出N型一侧，剩下一层失掉电子 的带正电的施主原子，P型一侧剩下一层失去空穴的 受主原子，并在二者之间形成内电场，方向由N指向 P。当电场达到一定大小时，电子和空穴不再运动， 稳定下来。
PN结产生光生伏特的原因，就是因为光照在 PN结上时，如果光子能量大于半导体的禁带宽度， 则载流子吸收光子能量穿过禁带，形成自由电子和 自由空穴。这些自由电子——空穴对在PN结内部电 场作用下向外运动，于是在PN结两侧产生光生电动 势。由于光生电子、空穴在扩散中会复合，因此， 只有PN结的厚度小于扩散长度，才会有电动势产生。 可以利用这一点调节器件的特性。
为响应。反应用电压或电流表示。对可见光常用
的有流明灵敏度和勒克斯灵敏度。流明灵敏度
S1m
光电流（A） 光通量（lm）
光电式传感器
勒克斯灵敏度
S1 x
光电流（A） 受光面照度（lx）
投射到传感器的光通量即使相同,如果光谱能量 分布不同时 ,灵敏度也不同。因此 ,在测定灵敏度时
吸收系数、发射电子的深度、表面的亲和力等因素有 关;e为电子电荷量。
光电式传感器
(3)光电子逸出物体表面具有初始动能。因此
光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。
为使光电流为零，必须加负的截止电压，而截止
电压与入射光的频率成正比。
光电式传感器
1.2内光电效应
内光电效应分为两类：光电导效应和光生伏特效应。 1. 光电导效应 入射光强改变物质导电率的物理现象,叫光电导 效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有。这是由 于在入射光作用下，电子吸收光子能量，从价带激发到 导带，过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴， 致使导带的电子和价带的空穴浓度增大，引起材料电阻 率减小。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量 E0应大于禁带宽度Eg即光的波长应小于某一临界波长λ0。
光电效应
光电发射器件具有许多不同于内光电器件的特点：
1. 电发射器件中的导电电子可以在真空中运动，因此，可以通
过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探
测灵敏度，使它能高速度地探测极其微弱的光信号，成为像增强器
与变相器技术的基本元件。 2. 很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，这在光电成像器 件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导 体光电图像传感器。
生电流的现象。
p Bh+
n As+
(a)ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
e–
M etallurgical Junction
耗尽区
M E (x)
M
Neutral p-region
Eo
Neutral n-region
朩p
0
Wn
x
(e)
内建电场
M log(n), log(p) p po Wp Wn
(b)
Eo V(x)
Space charge region
下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载
流子浓度很低，形成浓度差。 这种由于载流子迁移率
的差别产生受照面与遮
光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
KT n p n p n0 ln1 UD n p q n p 0 n 0 p
3. 光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使得整个探
测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。 4. 光电发射器件的光谱响应范围一般不如半导体光电器件宽。
习题
光伏发电工程技术习题答案
《光伏发电工程技术》教材习题答案习题11.简述太阳能电池的工作原理。
答：光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
其工作原理如下：当太阳光照射到半导体表面，半导体内部N区和P区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁带宽度E g的能量，脱离共价健的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子—空穴对。
结合图1-7所示，光生电子－空穴对在耗尽区产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推向N区，光生空穴被推向P区：在N区中光生电子－空穴对向P－N结的边界扩散，一旦达到耗尽区的边界，立即受到内电场的作用，空穴推入P 区，而光生电子则被留在N区；P区中的光生电子（少子）则同样的先扩散，后在电场力的作用下被推入N区，光生空穴则留在P区。
因此，在P区有过剩的空穴，在N区有过剩的电子，如此便在P－N结两侧形成了正负电荷的积累，产生与势垒电场方向相反的光生电动势，也就是光生伏特效应。
将半导体做成太阳能电池并外接负载后，光电流从P区经负载流至N区，负载即得到功率输出，太阳能便变成了电能。
2.说明光伏发电系统的组成及各个部分的作用。
答：光伏发电系统通常由太阳能电池组件（太阳能电池板或光伏组件）、蓄电池组、控制器、逆变器等几部分构成。
太阳能电池组件也叫太阳能电池板，是太阳能发电系统中的核心部分，是能量转换的器件，其作用是将光能转换成电能。
蓄电池的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠的工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命，能自动防止蓄电池过充电和过放电。
逆变器的作用是将直流电转换成交流电的设备。
3.光伏发电系统的一般分类如何？各种类型光伏发电系统的工作原理如何？答：光伏发电系统分为独立系统、并网系统。
独立光伏发电也叫离网光伏发电。
主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器，结合图1-10所示。
光电池
光电池简介一、光生伏特效应当用适当波长的光照射非均匀半导体（PN结等）时，由于内建场的作用（不加外电场），半导体内部结区两侧产生电动势（光生电压），如将PN结外部短路，则会出现电流（光生电流）。
这种由于光照引起的物质内部的电场的变化也称光电效应，为了与引起光电子发射的光电效应有所区别，也叫内光电效应。
在技术领域通常把上述现象称为光生伏特效应。
1．PN结的光生伏特效应设入射光垂直PN结面。
如结较浅，光子将进入PN结区，甚至更深入到半导体内部。
能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子—空穴对。
在光激发下多数载流子浓度一般改变很小，而少数载流子浓度却变化很大，因此应主要研究光生少数载流子的运动。
由于PN结势垒区内存在较强的内建场（自N区指向P区），结两边的光生少数载流子受该场的作用，各自向相反方向运动：P区的电子穿过PN结进入N区；N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在PN结两端形成了光生电动势，这就是PN 结的光生伏特效应。
由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在PN结内部形成自N区向P区的光生电流I L见下图（b）。
（a）无光照（b）光照激发图1 PN结能带图由于光照在PN结两端产生光生电动势，相当于在PN结两端加正向电压V，使势垒降低为qV D－qV，产生正向电流I F。
在PN结开路情况下，光生电流和正向电流相等时，PN 结两端建立起稳定的电势差V0。
（P区相对于N区是正的），这就是光电池的开路电压。
如将PN结与外电路接通，只要光照不停止，就会有源源不断的电流通过电路，PN结起了电源的作用。
这就是光电池（也称光电二极管）的基本原理。
金属－半导休形成的肖持基势垒层也能产生光生伏特效应（肖特基光电二极管），其电子过程和PN 结相类似，不再赘述。
2．光电池的电流电压特性光电池工作时共有三股电流：光生电流I L ，在光生电压V 作用下的PN 结正向电流I F ，流经外电路的电流I 。
光电传感器原理
当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强 成正比。即光强愈大，意味着出的电子数也就越多。
1.2 内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象 叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效 应分为光电导效应和光生伏特效应两类：
光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态， 而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种 效应的光电器件有光敏电阻。
2）主要参数
（1）倍增系数M 倍增系数M 等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果 n个倍增电极的δ都相同，则 ，因此，阳极电流 I 为 n M =δi i —光电阴极的光电流 I =i ⋅δ n 光电倍增管的电流放大倍数β为： = n I i β =δ M与所加电压有关，M在105~108之间，稳 定性为1％左右，加速电压稳定性要在 0.1％以内。如果有波动，倍增系数也要 波动，因此M具有一定的统计涨落。一般 阳极和阴极之间的电压为1000~2500V， 两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。 对所加电压越稳越好，这样可以减小统 计涨落，从而减小测量误差。
1—硒光电池； 2—硅光电池
(3) 频率特性 1—硒光电池； 2—硅光电池
硅 光 电 池 的 光 照 特 性
负载对光电池输出性能的影响
(4) 温度特性
UOC—开路电压； ISC—短路电流
3.光敏二极管
光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和 光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特 别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小， 一般为几μA到几十μA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、 锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之 分。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。
光子照射到金属上时
光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。
“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。
指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。
有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。
太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。
因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。
太阳能电池，通常称为光伏电池。
目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。
用的硅是“提纯硅”，其纯度为“11个9”，比半导体或者说芯片硅片“只少两个9”；又因为提纯硅结晶后里头的成分不同，分为多晶硅和单晶硅；目前，单晶硅太阳能电池的光电转换率为15％左右，最高达到了24％，使用寿命一般可达15年，最高达25年，比转换率仅12％左右的多晶硅太阳能电池的综合性能价格比高。
参考资料：《知识就是力量》132|评论(6)其他答案共6条2007-1-25 19:36 调皮虎|七级简单的说就是光电池4|评论2007-1-27 14:15 热心网友光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。
太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。
目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。
国产晶体硅电池效率在10至13％左右，国外同类产品效率约12至14％。
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光生伏特效应
光生伏特效应
英文名称：Photovoltaic effect。
光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。
光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器）；侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感器）；PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器）。
光电伏特效应概述
1.P-N结
太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电能。
在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性的。
如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。
尽管通过光的能量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电子又被捕获，即电子和空穴“复合”。
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。
至今为止，大多数太阳能电池
厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两个区交界就形成了一个P －N结（即N+／P）。
太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P－N结。
2.光生伏特效应
如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。
界面层附近的电子和空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。
电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。
通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电压。
此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。
对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。
通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。
界面层吸收的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。
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光电伏特效应与光电池
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。
光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。
光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。
它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。
光电池基本特性有以下几种：
(1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。
光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。
硅光电池的光谱响应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。
可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。
(2)光照特性：光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。
短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。
因此用光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。
(3)温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。
由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。
开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。
由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。
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太阳能的“光生伏特效应”
利用太阳能的最佳方式是光伏转换，就是利用光伏效应，使太阳光射到硅材料上产生电流直接发电。
“光生伏特效应”（Photovoltaic effect），简称“光伏效应”。
风光互补控制器指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。
它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。
有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。
光伏材料能将太阳能直接转换成电能的材料。
光伏材料又称太阳能电池材料，只有半导体材料具有这种功能。
可做太阳电池材料的材料有单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs、GaAlAs、InP、CdS、CdTe等。
用于空间的有单晶硅、GaAs、InP。
用于地面已批量生产的有单晶硅、多晶硅、非晶硅。
其他尚处于开发阶段。
目前致力于降低材料成本和提高转换效率，使太阳能电池的电力价格与火力发电的电力价格竞争，从而为更广泛更大规模应用创造条件。
以硅材料的应用开发形成的产业链条称之为光伏产业，包括高纯多晶硅原材料生产、太阳能电池生产、太阳能电池组件生产、相关生产设备的制造等。
我国76%的国土光照充沛，光能资源分布较为均匀；与水电、风电、核电等相比，太阳能发电没有任何排放和噪声，应用技术成熟，安全可靠；除大规模并网发电和离网应用外，太阳能还可以通过抽水、超导、蓄电池、制氢等多种方式储存，太阳能＋蓄能，几乎可以满足中国未来稳定的能源需求。
太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发利用作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的行业。
光伏产业链包括硅料、硅片、电池片、电池组件、应用系统5个环节。
上游为硅料、硅片环节；中游为电池片、电池组件环节；下游为应用系统环节。
从全球范围来看，产业链5个环节所涉及企业数量依次大幅增加，光伏市场产业链呈金字塔形结构。