I (%)
I (%) Si蓝 Si
Se
Si
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
2000 4000 6000 8000 10000 12000

2000 4000 6000 8000 10000 12000

光电池的光谱响应特性曲线
硅蓝光电池的光谱响应曲线
19
（4）频率特性
当光照射光电池时，由于载流子在结区内扩 散、漂移都要有一个时间过程，所以产生的 光电流有滞后于光照变化的现象。
加的很小。如
Ip

ID ，则
U oc

kT ln( I p ) e I0
14
一般而言， 约为0.45~ 0.6V, 电流密度约 为150 ~300A/m2。在实际工作中，两者是通过测 量获得，当光电池在一定光照下，使其两端开路， 用高内阻的直流毫伏表或电位差计接在其两端，
测出 ，用低电阻电流表短接，其示值为 。
PN结的零偏状态
光照零偏p-n结产生光
生载流子，少子在内 电场的作用下，电子 向N区漂移、使在N区 的边界呈负极性，空 穴向P区漂移，使在P 区的边界呈正极性， 此时产生开路电压， 短路光电流。此为光
电池的工作原理。
4
PN结反偏状态
光照反偏条件：当 入射光波照射于反 偏置PN结时，产生 光生载流子，少子 在增强的内电场的 作用下，形成了大 于反向饱和电流的 光电流。此为光电 二极管的工作原理。
9
1、光电池的结构原理
扩散
光照
由光照产生的电子和空穴在内电 场的作用下才形成光生电动势和光电 流。但光电池的光电效率非常低，最 高也只能是百分之十几。
10
国产同质结硅光电池按照基底材料的不 同，分为2DR与2CR型。
防反射膜
+
(SiO2)
P
N
SiO2
-
pn结
p
n
RL
+
-
在地面上用作光电探测器的多为P+N型，即国产2CR型。
15
（2）光照特性
光电池的光照特性是指光生电动势、 光电流与照度之间的关系。
Isc (mA / cm2 )
U oc 5
U oc (V ) 0.4
4 0.3
3
I sc
0.2
2
1
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
E(Lx)
I (mA)
10
100 101 102 103 104
§3.4 半导体光伏型检测器件
1
一、光生伏特效应
光生伏特效应是光照使不均匀半导体或均 匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而 产生电位差的现象。这种现象称为光生伏 特效应。
如果光电导现象是半导体材料的体效应， 那么光伏现象则是半导体材料的“结”效 应。
2
1、PN结的光生伏特效应
3
2、PN结的工作状态
8
硅光电池的用途大致可分为两类: (1)当作光电探测器件使用；(2)用作电源。
作为光电探测器件，广泛用于近红外辐射探测 器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开 关以及电影还声等。这类应用要求光电池照度 特性的线性度好。
作为电源，广泛用作太阳能电池，作为人造卫 星、野外灯塔、无人气象站、微波站等设备的 电源使用。此类应用要求价廉，输出功率大。
5
3、常见的光伏探测器
利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光 伏器件，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、 象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD） 光电耦合器件等。
6
二、光电池
光电池是根据光生伏特效应制成的直接把光能转变 成电能的光电器件故称为光生伏特电池，简称光电 池。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。
I(%)
光电池的频率响应曲线
100
1K
ห้องสมุดไป่ตู้
80
60
40
100K 10K
20
f (Hz)
102
103
104
硅光电池频率特性与负载关系曲线
在交变光照射下，光电池的响应时间R=CRL ，而 结电容C与器件面积成正比，故要 f 较好，需选用小面 积光电池。
20
（5）温度特性
光电池的温度特性曲线是描述开路电压与短路电流随温 度变化的情况 。当光电池接受强光照射时必须考虑工作 温度。如硒光电池超过50C或硅光电池超过200C时， 它们会因晶格被破坏而导致器件的破坏。
N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用， 作为航天的太阳能电池，即国产2DR。
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2、光电池的特性参数
（1）伏安特性（输出特性）
PN结作光电池使用时，在有光照 条件下，光电流与输出电压的关系。
等效电路
光电池等效为一个普通晶体二极管 和一个恒流源（光电流源）的并联。
12
符号
连接电路
其中：
13
qU
I S E I s (e kT 1)
当 U 0 时 Isc I p S E
光电池短路时，短路电流等于光电流， 与入射光照呈线性关系。
当
I 0时
U oc

kT e
ln( I p I0
1)
光电池开路时，开路电压与光照之间
成对数关系，它随光照度的增加而增
按用途分为： 太阳能光电池：直接将太阳能转换成电能 测量光电池 ：将光信号转换成电信号
按材料分为： 硅光电池 硒光电池 砷化镓光电池 锗光电池 硫 化镉光电池
7
目前最受重视的是硅光电池与硒光电池。 硅光电池：价格便宜，光电转换效率高，光谱响 应范围宽，寿命长 ，稳定性好，频率特性好，耐 高温。 硒光电池：价格便宜，它的光谱响应曲线和人眼 的光谱光视效率曲线形状很相似，因此用在与人 眼视觉有关的测试中。
2、Isc与E成线性关系，常用于光电池检测， Isc典型值 35-45mA/cm2。 3、RL越小， I线性度越好，线性范围越宽。
17
光电池的伏安特性决定负载电阻的选取
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（3）光谱特性
光电池的光谱特性主要取决于所用的材料与
制作工艺（如结的深浅），也与使用温度有 关。 硅光电池光谱响应范围0.4-1.1，峰值波 长0.8-0.9，硒光电池光谱响应范围0.34-0.75， 峰值波长0.54。
10
10 100
1000
E(Lx) 100 101 102 103 104
硅光电池光照特性
硅光电池光照特性与负载电阻关系
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光电池光照特性：
负载RL上的输出电功 率与入射光功率之比：
PL U LS LLS
PP
1、Voc与光照E成对数关系；典型值在0.450.6V。作电源时，转化效率10%左右，最大 15.5-20%。