硅光電池開路電壓與光信號之間的關(guān)系

摘要：信息化時代中，新型能源得到了空前的發(fā)展，其中光能源成為廣泛運用的新能源之一。硅光電池是我們熟悉的光能的利用范例。本文介紹了大學(xué)物理實驗中硅光電池光照實驗中，在同負(fù)載的情況下，電流會隨著光照強度的增加而增加，電壓也隨之變化，而這種不同光照的作用下電壓表顯示的不同的電壓值的硅光電池的開路電壓特性。文章結(jié)合硅光電池的原理特性以及伏安特性分析了硅光電池開路電壓與光信號之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：硅光電池；開路電壓；光信號；關(guān)系

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）08-0251-02

一、硅光電池原理及運用

硅光電池是一種可將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件。其具有較多的優(yōu)點，如性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、壽命長、價格便宜、使用方便等，因而得到廣泛應(yīng)用。硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，用此技術(shù)制作的光電池使用方便，特別是近年來微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快捷。[1]硅光電池的應(yīng)用方面：光敏傳感器的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即利用光子照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電導(dǎo)特性發(fā)生變化的效應(yīng)。目前半導(dǎo)體光敏傳感器在數(shù)碼攝像、光通信、航天器、太陽能電池等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在現(xiàn)代科技發(fā)展中起到了十分重要的作用。能源利用方面，硅光電池串聯(lián)或并聯(lián)組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造衛(wèi)星、宇宙飛船、航標(biāo)燈、無人氣象站等設(shè)備的電源；也可做電子手表、電子計算器、小型號汽車、游艇等的電源。光電檢測器件方面，用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光增加準(zhǔn)直、電影還音等設(shè)備的光感受器。硅光電池是一個大面積的光電二極管，它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，光電池的種類很多，常見的有硒、硅、砷化鎵、氧化銅、硫化鉈、硫化鎘等，其中最受重視、應(yīng)用最廣的是硅光電池。光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。有兩種基本類型的半導(dǎo)體材料，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負(fù)電型（或N型態(tài)）。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理，利用半導(dǎo)體pn結(jié)（pn junction）的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池（solar cell）。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地；光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)同期短的優(yōu)點。

二、硅光電池光照實驗

在硅光電池光照試驗中硅光電池負(fù)載為零時，短路電流在相當(dāng)大的范圍由與光照度成線性關(guān)系；而開路電壓與光照度的關(guān)系，顯非線性。因此，由實驗知，負(fù)載電阻愈小，光電流與照度之間線性關(guān)系愈好。且線性范圍寬。光功率計中的內(nèi)部電路，須達(dá)到在待測量光照度的范圍內(nèi)，其等效電阻大小達(dá)到規(guī)定小的要求。并且通過實驗我們探究到光電池具有以下幾個基本特性：光譜特性：光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。當(dāng)P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸收都將產(chǎn)生光生載流子。它有一系列優(yōu)點：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬，頻率響應(yīng)好，轉(zhuǎn)換率高，能耐高溫輻射等。它的結(jié)構(gòu)很簡單，核心部分是一個大面積的PN結(jié)。因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等的能源。硅光電池光照實驗原理如下：在P型硅片上擴散一層極薄的N型層，形成PN結(jié)，再在該硅片的上下兩面各制一個電極（其中光照面的電極成“梳狀”，并在整個光照面鍍上增透膜，利于光的入射。），當(dāng)光照射在硅光電池的光照面上時，若入射光子能量大于硅的能隙時，光子能量將被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。[2]它們在運動中一部分重新復(fù)合，其余部分在到達(dá)PN結(jié)附近時受PN結(jié)內(nèi)電場的作用，空穴向P區(qū)遷移，使P區(qū)顯示正性，電子向N區(qū)遷移，使N區(qū)帶負(fù)電，因此在PN結(jié)上產(chǎn)生了電動勢。如果在硅光電池兩端連接電阻，回路內(nèi)就形成電流，這是硅光電池發(fā)生光電轉(zhuǎn)換的原理，這種原理不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。在硅光電池光照實驗中，硅光電池在一定的光照條件下的光生電動勢稱為開路電壓，開路電壓與入射光照強度Ee的特性曲線稱為開路電壓曲線，也可以是硅光電池的電動勢與入射光強之間的特性曲線稱為開路電壓曲線，而開路電壓可直接用電位差計讀（當(dāng)所測電壓超過電位差計量程時，自行設(shè)法擴大量程）。

三、硅光電池開路電壓與光信號的關(guān)系

光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。硅光電池照度越大，短路電流越大，開路電壓越大，但開路電壓影響不大電池的開路電壓等于電池在斷路時（即沒有電流通過兩極時）電池的正極電極電勢與負(fù)極的電極電勢之差。光敏傳感器的基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即利用光子照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電導(dǎo)特性發(fā)生變化的效應(yīng)。光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。電池的開路電壓用V開表示，即V開=Ф+-Ф-，其中Ф+、Ф-分別為電池的正負(fù)極電極電位。[3]光信號發(fā)生器，是一種特殊的信號源，不僅具有一般信號源波形生成能力，而且可以仿真實際電路測試中需要的任意波形。在我們實際的電路的運行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實際電路往往存在各種缺陷信號和瞬變信號，發(fā)射頭發(fā)出激光信號，信號通過光纖傳播到目的，利用的是激光的集中度高，和反射原理如果在設(shè)計之初沒有考慮這些情況，有的將會產(chǎn)生災(zāi)難性后果。任意波發(fā)生器可以幫您完成實驗，仿真實際電路，對您的設(shè)計進(jìn)行全面的測試。由于任意波形發(fā)生往往依賴計算機通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計算機傳輸中，有些任意波形發(fā)生器有波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風(fēng)險性大的實驗時，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實時記錄下來，然后通過計算機接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計電路，更進(jìn)一步實驗驗證。電池的開路電壓，一般均小于它的電動勢。這是因為電池的兩極在電解液溶液中所建立的電極電位，通常并非平衡電極電位，而是穩(wěn)定電極電位。光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的；光照特性；頻率響應(yīng)；溫度特性：溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況；以及穩(wěn)定性。短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。硅光電池是近幾年，國際上的準(zhǔn)雙光束紫外可見分光光度計使用最多的一種硅光電池。它被分為可見區(qū)使用的硅光電池和紫外可見區(qū)使用的硅光電池兩種，可見區(qū)使用的硅光電池的光譜響應(yīng)范圍一般為320～1100nm，一般峰值波長位置在960nm左右。如日本浜松公司的S1337-16BR、S13 37-3 3BR等硅光電池就是。紫外可見區(qū)使用的硅光電池，其光譜響應(yīng)范圍一般為190～1100nm，一般峰值波長位置也在960nm左右，如S13 37-BQ、S133 6-8BQ、S23 87SERIES等硅光電池。[4]但近幾年，國外有些硅光電池的光譜響應(yīng)波長峰值可在400～500nm，如日本浜松公司的S7505硅光電池，其波長范圍為400～540nm，峰值位置在460nm；日本浜松公司的S7686硅光電池，其波長范圍為480～660nm。峰值位置在550nm。還有峰值位置在254nm的、更適合紫外可見分光光度計的使用的硅光電池，如日本浜松公司的S26 48-2 54型硅光電池，其峰值位置在254nm。光電池在不同的光照度下，光生電動勢和光電流是不相同的。而且在光照度為20001x時就趨于飽和，在光信號斷續(xù)變化的場合，也可以把光電池作為電壓源使用。硅光電池的工作原理基于光生伏特效應(yīng)，它是在一塊N型硅片上用擴散的方法摻人一些P型雜質(zhì)而形成的一個大面積PN結(jié)，當(dāng)光照射P區(qū)表面時，若光子能量加大于硅的禁帶寬度，若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有光電流流過。[5]

光信號就是說在光里面加入一些元素，使得在光的傳播中帶著這些信息，光是電磁波，比如改變這束光的偏振方向，代表0，未改變的代表1，那么在接收端就能收到信號，然后通過轉(zhuǎn)換成類似1.0.0.1的信號。通過實驗我們得出硅光電池負(fù)載為零時，短路電流在相當(dāng)大的范圍由與光照度成線性關(guān)系；光功率計中的內(nèi)部電路，須達(dá)到在待測量光照度的范圍內(nèi)，其等效電阻大小達(dá)到規(guī)定小的要求。特別是近年來微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計劃。據(jù)報道，全球發(fā)展、建造太陽能住宅（光電池作屋頂、以下按其材料分類，展示光伏技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及市場發(fā)展動向。它被設(shè)計用于把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能，因此，可用作光電探測器和光電池，被廣泛用于太空和野外便攜式儀器等系統(tǒng)也有運用到這種能量轉(zhuǎn)換。

參考文獻(xiàn)：

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[3]汪建章，潘洪明.大學(xué)物理實驗[M].杭州：浙江大學(xué)出版社2004：196.

[4]曲洪豐，光電探測器特性一體化實驗系統(tǒng)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[5]宋愛琴，硅光電池特性的研究[J].實驗室科學(xué)，2011，（02）.

作者簡介：羅浩文（1977-），男，電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院教師，工程師，主要研究方向為無線電物理及物理實驗教學(xué)。endprint