I 伏安特性曲线
2)光照特性
短路电流曲线：短路电流与光照度成线性关系 开路电压曲线：开路电压与光照度成对数关系 ，当照度为 2000lx时趋向饱和。
Isc/mA
5
4
Uoc /V
0.5 0.5
0.4 0.3 0.3 短路电流 0.2 0. 1
0.1 0
Isc /mA
开路电压
Uoc/V
0.4
开路电压
3
3)线性电压输出
Ⅱ
I S I 0 (e
IRL UT
1)
0.7U OC RM S max
0.7UOC
U RM I 0.7U oc max
4)功率放大区
当负载电阻取某一电阻值RM时，光 电池可以获得最大输出功率。 光电池工作在这个区域，能将光能 有效地转换成电能给负载供电。
测量用光电池：
3 等效电路 （意义：分析与计算）
直流等效电路
交流等效电路
4、 硅光电池的特性参数
光照下p-n结的电流方程 1)伏安特性
I0 E=0 Isc1 Isc2 Isc3 Isc4 E1 E2 I(μA) Voc2 Voc3 Voc4 RL= V(V) RL5 RL4
Voc1
E3
E4
RL=0
1)短路或线性电流放大区 3)线性电压输出
4)功率放大区
2)空载电压输出区
1）短路或线性电流放大区Ⅰ
A
I S I S (e
IRL UT
1)
I
负载电阻很小，近似于短路
I I SC S
I S
线性放大区特点：线性好、输出光电流大，噪声 电流低、信噪比好，适合弱光信号检测。
100 Ω
Voc 3DG7A
锗三极管的放大电路
硅三极管的放大光电 流电路
硅三极管放大光电流的电路
2)空载电压输出区Ⅳ
负载电阻很大，近似于开路 （RL→∞），光电池输出电流I = 0。
U oc
kT S ln( ) q I0
光照时，输出电压从0跳跃到 0.45～0.6V 空载电压输出区：具有很高的光电 转换灵敏度，不需偏置电源，适合 于开关或控制电路 RL～1MΩ 光电池处于接近开路状态
• 3、光敏电阻的光电流依赖于光生载流子的产 生—复合运动，弛豫时间常数大，频率响应差。 结型器件的光电流依赖于结区部分光生载流子 的漂移运动，弛豫过程时间常数小，响应速度 快。
5 光电池的输入电路设计
基本偏置电路:
直流参数计算: 1）如何选择 RL 2）计算 ΔΦ对应的输出电压ΔU
5 光电池的输入电路设计
提高太阳能电池转换效率的途径
1、最佳禁带宽度的选择
2、抗反射膜
3、接触面积 4、接触电阻 5、收集电阻 6、太阳电池的光吸收
7、载流子收集
8、表面复合 9、背接触与背场效应
太阳能电池的分类
按照所用材料的不同：
• 无机太阳能电池 – 半导体硅 (单晶、多晶、非晶、复合型等） – 化合物半导体（GaAs、CuInSe2、CdTe、 InP等） • 有机太阳能电池 – 有机半导体（酞菁锌、聚苯胺、聚对苯乙炔等） • 光化学太阳能电池（纳米TiO2等）
光电池外形
光敏面
能提供较大电流的大 面积光电池外形
分类： 光电池按材料分
有硅、硒、硫化镉、砷化镓光电池等。 光电池按结构分
按结构分，有同质结和异质结光电池等。国产同质 结硅光电池因衬底材料导电类型不同而分成2CR系 列和2DR系列两种。 按用途分：
太阳能电池：
(Solar Cells)
－－主要用作电源，转换效率高、 成本低 －－主要功能是作为光电探测用，光 照特性的线性度好
2、光电池的结构、分类
• 光电池核心部分是一个PN结，一般作 成面积大的薄片状，来接收更多的入 射光。 2DR型：以p型硅做基底，n型薄层受光面 2CR型：以n型硅做基底，p型硅做受光面 • 为了减少反射光，增加透射光，一般都在受光面上涂有SiO2 或MgF2等材料的防反射膜，同时也可以起到防潮，防腐蚀 的保护作用。 • 受光面上的电极称为前极或上电极，为了减少遮光，上电极 做成梳齿状或“E”字型电极
1）短路或线性电流放大区Ⅰ
A
I S I S (e
IRL UT
1)
I
负载电阻很小，近似于短路
I I SC S
I S
线性放大区特点：线性好、输出光电流大，噪声 电流低、信噪比好，适合弱光信号检测。
探测用光电池的基本电路
+4V
-10V -10V iC iC 1kΩ Voc 3DG6 3AX4 2CR 2CR×2 2AP 7 iC 1kΩ Voc 1kΩ 2CR
输出电压、输出电流、输出功率随负载电阻的变化曲线
Voc/V
400
Isc/mA Voc
100
•RL小时IL趋近于短路电 流Isc。 •UL随RL的增大而增大， 直到接近饱和。 •在RL=RM时，有最大输出 功率，RM称为最佳负载。 光电池作为换能器件时要 考虑最大输出问题，跟入 射光照度也有关。
80 200
RL1
RL2
RL3
硅光电池伏安特性曲线
1)伏安特性
I I 0 (e
qU kT
1) SE
U 0代入上式，得
a短路电流：
I sc I P S E
I 0代入上式，得
b开路电压：
U oc
kT IP ln( 1 ) q I0
当I P I 0时, U oc
kT IP ln( ) q I0
2 1 0 2 4 6 8 10
0.3
短路电流 0.2
0.1
1 2 3 4 5
E/klx
E/klx
(a) 硅光电池
(b)硒光电池
接有负载电阻RL的硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。
因此在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载 电阻在条件允许的情况下越小越好，并限制在强光 下使用。
I/mA
0.5 0.4 0.3 RL=0 100Ω 1000Ω 5000Ω 0 2 4 6 8 10 50Ω
总结：工作在Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ区域， 具有光电探测的功能，光电池 作为线性测量使用时，Ⅰ区域 是最佳的工作状态。 作为光电 控制时，工作在Ⅳ区域。 工作在Ⅲ区域，具有太阳能光 电池的功能。
光电池输入电路的静态计算
6、光电池的应用
1)、光电池用作太阳能电池 把光能直接转化成电能，需要最大的输出功率和转 化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、并 联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站 等无输电线路地区的电源供给。 2)、光电池用作检测元件 利用其光敏面大，频率响应高，光电流与照度线性变 化，适用于开关和线性测量等。
第4章
光伏探测器
• PN结受到光照时，可在PN结的两端产生光生电势 差，这种现象则称为光伏效应 • 利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器 件，简称PV（Photovoltaic），也称结型光电器 件 • 这类器件品种很多，其中包括各种光电池、 光电 二极管、 光电晶体管、光电场效应管、PIN管、 雪崩光电二极管、光可控硅、 阵列式光电器件、 象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电 耦合器件等。

eU / kT
1 Ip

光照下的PN结电流方程及伏安特性
电流方程 2 伏安特性
I I0 e

eU / kT
1 Ip

Ip S E
光照下的PN结电流方程及伏安特性
2 伏安特性 第一象限：普通二极管 光电探测器 这个区域没有意义！！
光照下的PN结电流方程及伏安特性
2 伏安特性
PL
0
40
IL
0
0
R100 M
200
300
400
500
RL/Ω
输出功率PL=VL•IL
转换效率
Voc/V
400
Isc/mA
Voc
100
PL Pi
VL
RL负载线
80 200
PL V 0 IL
40
0
0
θ
IL
RM负载线
PL
0
R100 M
200
300
400
500
RL/Ω
PM PQ 输出电压、输出电流、输出 功率随负载电阻的变化曲线
光生伏特器件
单元器件
四象限器件 线阵器件
第4章
光伏探测器
4.1 光伏探测器的原理 4.2 常用光伏探测器 4.3 光伏探测器组合器件 4.4 光伏探测器的偏置电路
光照下的PN结电流方程及伏安特性 1 PN结光电效应
光 照
电子—空穴对 平均扩散长度
＋
－
电子—空穴对分离
电流方程
光生电势差
I I0 e
1、光生电流的光学损失 1）反射损失：超过30%的光能被裸露硅表面反射掉 2）栅电极遮光损失： 3）透射损失：电池厚度不够，则某些能量合适能被吸 收的光子可能从电池背面穿出。 2、光生少子的收集几率：由于存在少子复合，所产生的每 一个光生少数载流子不可能全部被收集起来； 3、太阳电池的光谱响应 4、影响开路电压Voc的实际因素：半导体的复合率越高， 少子扩散长度越短， Voc越低; 5、串联电阻和旁路电阻引起效率下降 6、温度效应
0.2
0.1
E/klx
3)光谱特性
1 00
硅光电池
S /%
80 60 40 20 0
硒 硅
响应波长0.4-1.1微米，
峰值波长0.8-0.9微米。 硒光电池
响应波长0.34-0.75微米， 峰值波长0.54微米。