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光电转换

[ 浏览次数:约486次 ] 发布日期:2017-08-17

  光电转换是通过光伏效应把太阳辐射能直接转换成电能的过程。这一过程的原理是光子将能量传递给电子使其运动从而形成电流。这一过程有两种解决途径,最常见的一种是使用以硅为主要材料的固体装置,另一种则是使用光敏染料分子来捕获光子的能量。染料分子吸收光子能量后将使半导体中的带负电的电子和带正电的空穴分离

光电转换.jpg

目录
光电转换简介
光电转换原理
光电转换材料
影响光电转换因素
光电转换器件原理

  光电转换简介


  在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳光电池、多晶硅太阳光电池及非晶硅太阳光电池等三种太阳光电池主要功能在将光能转换成电能,这个现象称之为光伏效应(photovoltaiceffect)。光伏效应在19世纪即被发现,早期用来制造硒光电池,直到晶体管发明后半导体特性及相关技术才逐渐成熟,使太阳光电池的制造变为可能。


  光电转换原理


  被摄景物通过摄像机的光学系统在光电靶上成像,由于光像各点亮度不同,因而使靶面各单元受光照的强度不同,导致靶面各单元的电阻值不同。与较亮像素对应的靶单元阻值较小,与较暗像素对应的靶单元阻值较大,这样一幅图像上各像素的不同亮度就表现为靶面上各单元的不同电阻值,原来按照明暗分布的“光像”就变成了相应的“电像”。

  从电子枪阴极发出的电子,在电子枪电场作用下高速射向靶面,并在偏转磁场作用下按照扫描规律扫过靶面上的各个单元。当电子束接触到靶面某个单元时,使阴极、光电靶、负载电阻RL及电源E构成一个回路。在负载RL中有电流流过,其电流大小取决于光电靶在该单元的电阻值大小。光照强处对应阻值较小,流过负载RL的电流就较大,因而RL两端产生的压降也就较大。负载电阻RL上形成电压就是摄像管输出的图像信号。

  光电转换过程(图像的摄取过程):被摄景物通过摄像机的光学镜头在光电靶上成像,被电子束将这幅图像分解为像素,同时把各个像素的亮度转变为在负载电阻RL上大小不同的电压降,从而形成摄像管输出信号。

  光电效应

  当电子从外界获得能量时将会跳到较高的能阶,获得的能量越多跳的能阶也越高,电子处在较高的能阶时并不稳定,很快就会把获得的能量释放回到原来的能阶。如果电子获得的能量够高就摆脱原子核的束缚成为自由电子,电子空出来的位置则称为空穴。自由电子可能会因为摩擦或碰撞等因素损失能量,最后受到空穴的吸引而复合。例如,硅的最外层电子要成为自由电子需要吸收1.1ev的能量,当硅最外层电子吸收到的光能量超过1.1ev时将会产生自由电子及空穴,称之为光生电子空穴对(light-generatedelectron-holepairs)。电子空穴对的数目越多导电的效果也越好,因为光使得导电效果变好的现象称之为光导效应(photoconductiveeffect)。

  自由电子与空穴的多寡对电气特性有很大的影响,越多的自由电子与空穴可以使导电性增加,同时也可以使输出电流增加,因此可以推测阳光越强时生成的自由电子与空穴越多,则输出电流也越大。然而如果只是单纯的产生自由电子与空穴,将会因为摩擦及碰撞等因素失去能量,最后自由电子会与空穴复合而无法利用。为更有效的利用由电子与空穴来产生电流,因此必须加入电场使自由电子与空穴分离进而产生电流。产生电场的方式很多如PN接面、金属半导体接面等,其中最常用的方式为PN接面。

  提高自由电子浓度常用的方法是在硅中加入少量的五价原子,五价原子的四个价电子与硅键结后剩下一个价电子,使剩下的价电子游离只需要0.05ev,比原来的1.1ev小很多,在室温超过200度k时即可使所有杂质产生自由电子,同样在硅中加入少量的三价原子可以提高空穴浓度。在硅中加入五价原子后称之为N型半导体,加入三价原子后称之为P型半导体。N型半导体及P型半导体虽然带有自由电子或空穴但本身仍然保持电中性,如果N型半导体及P型半导体内杂质浓度均匀分布则内部没有电场存在。若将N型半导体及P型半导体接和在一起,会因为两边自由电子与空穴的浓度不同产生扩散。N型半导体中自由电子浓度较高,因此自由电子由N型半体向P型半导体扩散,同样的空穴会由P型半导体向N型半导体扩散。扩散的结果使得接面附近的N型半导体失去电子得到空穴而带正电,P型半导体失去空穴得到电子而带负电。因为电荷密度不均因此在接面附近产生电场,如果有自由电子或空穴在电场内产生,则会因为受到电场的作用而移动,自由电子向N型半导体移动,而电洞向P型半导体移动,因此这个区域缺乏自由电子或空穴而称之为空乏区。当光照射在空乏区内将硅原子的电子激发产生光生电子与空穴对,电子与空穴对会因为电场作用而使电池内的电荷往两端集中,此时只要外加电路将两端连接即可利用电池内的电力,这即是所谓的光电效应,也是太阳光电池的转换原理。


  光电转换材料


  是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库,地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×10 (18次方) 千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是:将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构,当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时,通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件,以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池,转换效率高达20%,但其成本高,主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池,虽然光电转换效率不高(约10%),但价格低廉,已获得大量应用。此外,化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料,也得到研究和应用。


  影响光电转换因素


  太阳光电池之所以能将光能转换成电能主要有两个因素:

  1、光导效应(photoconductive effect);

  2、内部电场;

  因此在选取太阳能电池的材料时,必须要考虑到材料的光导效应及如何产生内部电场。

  半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来,使光和电互相转化的新型半导体器件。光电器件主要有:利用半导体光敏特性工作的光电导器件、利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

  一、 光电导器件

  半导体材料的光敏特性,即当半导体材料受到一定波长光线的照射时,其电阻率明显减小,或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子 逸出来的电子及其留下的空位----- 空穴。电从原子中逃逸出来,必须吉凶服原子的束缚而做功,而光照正是向电子提供能量,使它有能力逃逸出来的一种形式。因此,光照可以改变载流子的浓度,从而必变半导体的电导率。光电导器件主要有光敏电阻光电二极管光电三极管等。

  1、光敏电阻

  这是一种半导体电阻。在没有光照时,电阻很大;在一定波长范围的光照下,电阻值明显变小。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感,用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、γ射线也敏感;硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。感光面积大的光敏电阻,可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻,其光照电阻小于50千欧,暗电阻大于50兆欧。

  2、光电二极管

  光电二极管的管芯也是一个PN结,只是结面积比普通二极管大,便于接收光线。但和普通二极管不同,光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小,只有0-1微安左右。在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子,它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关,因此,反向饱和电流会随着光强的变化而变化,从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中,还可以作为光导纤维通信的接收器件。

  3、光电三极度管

  光电三极管的结构与普通三极度管相同,但基区面积较大,便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子----空穴时,形成基极电流,而集电极电流是基极电流β倍,因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。

  二、光伏打器件----硅光电池

  半导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应,叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。

  硅光电池就是一个大面积PN结。光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴,会向PN结方向扩散。扩散过程中,一部分电子和空穴复合消失,大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下,大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结;大部分光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结,到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型号区的积累,会在在PN对的两侧产生一个稳定的电位差,这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时,将有电流流过负载,起着电池的作用。

  硅光电池的用途极度为广泛。主要用于下述几个方面:

  能源----硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造成卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源;也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。

  光电检测器件----用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、电影还音等设备的光感受器。

  光电控制器件----用作光电开关等光电控制设备的转换器件。

  三、半导体发光器件

  半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数字管等。

  1、发光二极管

  发光二极管的管芯也是一个PN结,并具有单向导电性。PN结加上正向电压时,电子由N区渡越(扩散)到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现,因此,可以直接将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色(波长),困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。

  发光二极管工作电压很低(1 5-3伏),工作电流很小(10-30毫安),耗电极省。可作灯光信号显示、快速光源,也呆同时起整流和发光两种作用。

  2、发光数字管

  把磷化镓发光管或磷化镓发光管的管芯制成条状,用七条发光管组成七段式数字显示管,可以显示从0到9的十个数字。这种半导体数字显示管的优点是体积小、耗电省、寿命长、响应速度快。它可以作为各种小型计算器及数字显示仪表的数字显示用。

  3、光电耦合器

  把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起就组成了具有电---光---电转换功能的光电耦合器。显然,给耦合器输入一个电信号,发光器件就发光,光被光接收器件接收后,又转成换成电信号输出。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈,具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关,这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题,可靠性很高。


  光电转换器件原理


  传感器技术中很重要的一类称为光传感器。光传感器通常是指紫外到红外波长范围的传感器,其类型可分为量子探测器和热探测器两类。本实验将介绍常用的量子探测器或称光子探测器,它是利用材料的光电效应制作成的探测器,故也称为光电转换器。其主要参数有响应度(灵敏度)、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。

  光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今,光电转换器件获得了突飞猛进的发展,目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。

  光电倍增器是把微弱的输入转换为电子,并使电子获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时,阴极发射的光电子数目相应变化,由于各倍增极的倍增因子基本上保持常数,所以阳极电流亦随光信号的变化而变化,此即光电倍增管的简单工作过程。由此可见,光电倍增管的性能主要由光阴极、倍增极及极间电压决定。光电阴极受强光照射后,由于发射电子的速率很高,光电阴极内部来不及重新补充电子,因此使光电倍增管的灵敏度下降。如果入射光强度太高,导致器件内电流太大,以至于电阴极和倍增极因发射二分解,就会造成光电倍增管的永久性波坏。因此,使用光电倍增管时,应避免强光直接入射。光电倍增管一般用来测弱光信号。

  光电池是把光能直接变成电能的器件,可作为能源器件使用,如卫星上使用的太阳能电池。它也可作为光电子探测器件。

  光电二极管有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管两种。半导体pn结区附近成为耗尽层,该层的两侧是相对高的空间电荷区,而耗尽层内通常情况下并不存在电子和空穴。只有当光照射pn结时才能使耗尽层内产生载流子(电子-空穴对),载流子被结内电场加速形成光电流。利用该原理制成的光电二极管称为耗尽层光电二极管。耗尽层光电二极管有pin层、pn层、金属-半导体型、异质型等

  CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件,通过输入面上光电信号逐点的转换、储存和传输,在其输出端产生一时序信号。随着科技的进步,CCD技术日臻完善,已广泛用于安全防范、电视、工业、通信、远程教育、可视网络电话等领域。[4]

  太阳能电池

  材料选取

  光照射在物质上时,部份的光会被物质吸收,部份的光则经由反射或穿透等方式离开物质,选取太阳光电池材料的第一考量就是吸光效果要很好,如此才能使输出功率增加。选取太阳光电池材料的第二考量是光导效果,欲选取光导效果佳的材料首先必须了解太阳光的成分及其能量分布状况,进而找出适当的物质作为太阳光电池的材料。

  应用

  随着传统燃料能源的减少以及对环境造成的危害也越来越严重 ,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈,越来越多的国家制定了大力发展太阳能的计划。例如,美国的“ 光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划” ,日本的“朝日计划 ” ,以及我国发展的“光明工程 ”等都极大地促进了太阳能的发展。当前太阳能电池产品类型主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体和叠层太阳能电池等,主要应用在以下领域。

  1、用户太阳能电源:用于边远无电地区,如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电,如照明、电视、收录机等;3-5kw家庭屋顶并网发电系统;光伏水泵,解决无电地区的深水井饮用、灌溉;

  2、交通领域:如航标灯、交通、铁路信号灯、交通站、光缆维护站、广播、通讯、寻呼电源系统、农村微波电话光伏系统、小型通信机、士兵供电等;

  3、石油、海洋、气象领域:石油管道和水库闸门阴极保护太阳能 电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气 象/水文观测设备等;

  4、太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统;海水淡化设备供电;卫星、航天器、空间太阳能电站等。[5]

  发展前景

  未来超高效率太阳能电池的发展方向主要有以下几个方面:

  1、多接面、多能隙、多能带结构,使用不同能隙的材料来吸收不同波长的光子。减少载子能带内的能量释放,大幅度提高太阳能电池的效率;

  2、一个光子产生多个电子一空穴对,增加输出的光 电流,从而提高太阳能 电池的效率;

  3、热载子太阳能电池,提高载子温度能够大幅度提高太阳能电池的效率;

  4、黑体辐射的频谱转换,将太阳光改变成理想的光源,减少载子能带内的能量释放,提高太阳能电池的效率;

  5、新材料如染料感光太阳能电池、聚合物和有机物材料的太阳能电池等;

  6、热光伏特效应,将不能进行光伏效应的太阳能通过晶格振动的多声子吸收转化为可以进行光伏效应的光能 ,从而提高太阳能电池的效率。


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