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光电转换（二）
2025-04-30
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。
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。
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。
