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 。I L 和I F 都流经PN 结内部，但方向相反。

根据PN 结整流方程，在正向偏压V 作用下，通过结的正向电流为

)1(0-=T k qV

S F e

I I （1）

这里，V 是光生电压，I S 是反向饱和电流。 假设用一定强度的光照射光电池，因存在吸收，光强度随着光透入的深度按指数律下降，因而光生载流子产生率Q 也随光照深入而减小，即产生率Q 是x 的函数。为了简化用Q 表示在结的扩散长度（L P 十L N ）内非平衡载流子的平均产生率，并设扩散长度L P 内的空穴和L N 内的电子都能扩散到PN 结面而进入另一边。这样光生电流I L 应该是

)(n p L L L A Q q I += （2）

式中A 是PN 结面积，q 为电子电量。光生电流I L 从N 区流向P 区，与I F 反向。 如光电池与负载电阻接成通路，通过负载的电流应为

)1(0--=-=T k qV

S L F L e I I I I I （3）

这就是负载电阻上电流与电压的关系，也就是光电他的伏安特性，其曲线如下图所示。图中曲线（1）和（2）分别为无光照和有光照时光电池的伏安特性。

由上式可得

)1ln(0+-=S

L I I I q T k V （4） 在PN 结开路的情况下（R ＝∞），两端的电压即为开路电压V OC 。这时，流经R 的电流I =0，即I L =I F 。将I =0代入上式，得开路电压为

)1ln(0+=S

L I I q T k V （5） 如将PN 结短路（V ＝0），因而I F =0，这时所得的电流为短路电流I SC 。由（5）式，显然短路电流等于光生电流，即

I SC ＝I L （6）

V OC 和I SC 是光电池的两个重要参数，其数值可由上图曲线（2）在V 和I 轴上的截距求得。根据式（2）和（6），可讨论短路电流I SC 和开路电压V OC 随光照强度的变化规律。显然两者都随光照强度的增强而增大；所不同的是I SC 随光照强度线性地上升，而V OC 则成

对数式增大，见图3。但是，V OC并不随光照强度无限地增大。当光生电压V OC增大到PN 结势垒消失时，即得到最大光生电压V max，因此，V max应等于PN结势垒高度V D，与材料掺杂程度有关。实际情况下，V max与禁带宽度E g相当。

光生伏特效应最重要的应用之一，是将太阳辐射能直接转变为电能。

图2 光电池的伏安特性图3 V OC和I SC随光强度的变化

二、光电池的原理、结构

光电池是利用光生伏特效应制成的无偏压光电转换器件，由于其内部可能存在PN结，因此也称为结型探测器，简称PV探测器。光电池有两类用途，一是作为能量转换装置，例如作为太阳能电池，将光能转变为电能，成为一种绿色电源；二是用作光电探测器件，将光信号转变为电信号，起测量作用。光电池的结构分为两种类型，一种是金属—半导体接触型，另一种是PN结型，见图4。

制作光电池的材料一般有硅（Si）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）、氧化亚铜（Cu2O）、硫化镉（CdS）和硫化银（AgS）等等，用作透明电极的材料有Cu2S、SnCl4。其中硒光电池、硅光电池和以砷化镓为材料的光电池应用比较广泛。硒光电池的结构属于金属——半导体接触型。在铁或铝的基底上镀一层镍，然后将P型半导体硒涂在上面，再度一层半透明氧化膜（金或氧化镉），最后安装电极、引线，就形成了光伏器件。

当光照射到半透明膜下的硒表面时，由于硒的本征吸收而产生了电子—空穴对，在导电膜与半导体硒交界处得势垒作用下，电子流向导电膜一边，空穴则向另一边集中，从而形成光生电动势。另一种光电池，硅光电池是PN结型结构，在P型（或N型）半导体硅表面扩散一层N（或P型）杂质以形成PN结，就组成了最基本的光伏器件结构。硅光电池可分为单晶硅光电池和多晶硅光电池。单晶硅材料制成的光电池有两种类型：以P型硅