隨著科技日新月異地發(fā)展，光電池在人們的生產(chǎn)生活中產(chǎn)生了越來越重要的作用。光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能也稱為太陽能電池

太陽能電池是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件，它既可以作為電源，又可以作為光電檢測(cè)器件。作為電源使用的光電池，主要是直接把太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽電池。太陽電池不需要燃料，沒有運(yùn)動(dòng)部件，也不排放氣體，具有重量輕，工作性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率高，使用壽命長，不產(chǎn)生污染等優(yōu)點(diǎn)，在航天技術(shù)、氣象觀測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)乃至人們的日常生活等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。

作為光電檢測(cè)器件使用的光電池，具有反應(yīng)速度快，工作時(shí)不需要外加偏壓等特點(diǎn)，用于近紅外探測(cè)器、光電藕合器以及光電開關(guān)等。光電池的制作材料有許多種，例如硅、硒、鍺、硫化鎘、砷化鎵等，其中最常用的是硅光電池。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)是發(fā)電式有源元件。太陽能電池的利用和特性的研究是21世紀(jì)的熱門課題，許多國家正投入大量人力物力對(duì)太陽能電池進(jìn)行研究硅光電池是根據(jù)光伏效應(yīng)制成的太陽能電池，應(yīng)用范圍較廣。

光電池的結(jié)構(gòu)

光電池也是光敏器件中一個(gè)種類，不僅能將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，還能將光能轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來。

光電池由PN結(jié)構(gòu)成，也好像一個(gè)半導(dǎo)體二極管，但這個(gè)PN結(jié)的工作面積比一般二極管要大得多，目的是使光電池能接受更多光照。光電池通常只有一面接受光的照射，稱為光電池的受光面。不接受光線照射的一面稱為背光面。光電池工作時(shí)能將光能轉(zhuǎn)化成電能形成電壓，電壓的正極多為受光面。

光電池是在光線照射下，直接將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)的光學(xué)元件，它的工作原理是光生伏特效應(yīng)。簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng)。（光生伏特效應(yīng)是光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴，并在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。即將光能轉(zhuǎn)化成電能）在有光線作用時(shí)PN結(jié)就相當(dāng)于一個(gè)電壓源。

硅光電池在無外加電壓時(shí)，光照引起的載流子遷移會(huì)在其兩端產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，即光伏效應(yīng)硅。光電池的基本結(jié)構(gòu)為PN結(jié)，受光照后，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)到P區(qū)的光生電流I1同時(shí)，由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流I2，此電流方向從P區(qū)到N區(qū)，與光生電流相反。硅光電池的理論模型是由一理想的電流源（光照產(chǎn)生光電流的電流源）、一個(gè)理想二極管一個(gè)并聯(lián)電阻和一個(gè)串聯(lián)電阻組成。

光電池的原理

物理原理

材料

（1）N型光電導(dǎo)體，多子是電子，少子是空穴。主要是光子激發(fā)施主能級(jí)中的電子躍遷到導(dǎo)帶中去，電子為主要載流子，增加了自由電子的濃度。

（2）P型光電導(dǎo)體，多子是空穴，少子是電子。主要是光子激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到受主能級(jí)，與受主能級(jí)中的空穴復(fù)合，而在價(jià)帶中留有空穴，作為主要載流子參加導(dǎo)電，增加了空穴的濃度。

光伏效應(yīng)

（1）PN結(jié)存在一個(gè)由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，熱平衡時(shí)，多數(shù)載流子的擴(kuò)散和少數(shù)載流子的漂移作用相抵消，沒有電流通過PN結(jié)。

（2）當(dāng)有光照射PN結(jié)時(shí)，樣品對(duì)光子的本征和非本征吸收都將產(chǎn)生載流子，但是，由于P區(qū)和N區(qū)的多數(shù)載流子都被勢(shì)壘阻擋而不能穿過PN結(jié)，因而只有本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子才能引起光伏效應(yīng)。

（3）當(dāng)有光照射時(shí)，光線足以透過P型半導(dǎo)體入射到PN結(jié)。對(duì)于能量大于材料禁帶寬度的光子，由于本征吸收，就可激發(fā)出電子、空穴、以及電子——空穴對(duì)。P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴以及結(jié)合的電子——空穴對(duì)擴(kuò)散到結(jié)電場(chǎng)附近時(shí)，在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下漂移過結(jié)，電子——空穴對(duì)被阻擋層的內(nèi)建電場(chǎng)分開，光生電子和孔穴被分別拉到N區(qū)和P區(qū)，從而在阻擋層兩側(cè)形成電荷的堆積，產(chǎn)生內(nèi)建電場(chǎng)的光生電場(chǎng)，使得內(nèi)建電場(chǎng)的勢(shì)壘降低，降低量等于光生電勢(shì)差。光生電勢(shì)差所產(chǎn)生的光生電流方向和結(jié)電流的方向相反，而與P—N結(jié)反向飽和電流同向。

發(fā)電原理

光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，結(jié)構(gòu)如圖所示，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以增加透光，減小反射，下電極是一層襯底鋁。當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)，一般可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，50mA電流。

光電池的主要參數(shù)

光電池常用參數(shù)并不多，主要有開路電壓、短路電流、尺寸和效率。

開路電壓

是指光電池受光照射時(shí)產(chǎn)生的無負(fù)載輸出電壓，用Uco表示。光電池型號(hào)不同，開路電壓一般不同，如2CR31型光電池的開路電壓為Uco=0.5 V。

若將接在光電池兩端的外電路斷開，那么被P一N結(jié)分開的所有過剩載流子便會(huì)積累在P一N結(jié)附近，并以最大的可能補(bǔ)償自建電場(chǎng)，產(chǎn)生最大的光生電動(dòng)勢(shì)。

短路電流

是指光電池在陽光照射下正負(fù)極短路時(shí)的電流，用Isc表示。如2CR31型光電池的短路電流為Isc=15 mA。

如果把光電池短路，被P一N結(jié)分開的過剩載流子便能通過短路電路流通產(chǎn)生最大可能的短路電流。P一N結(jié)附近不會(huì)有過剩載流子積累，光生電動(dòng)勢(shì)為零。

工作電壓和工作電流

若光電池通過負(fù)載電阻接通，被P一N結(jié)分開的過剩載流子中一部分把自己的能量消耗于降低自建電場(chǎng)，也就是建立工作電壓，另一部分載流子流過負(fù)載形成工作電流。

尺寸光電池多制成長方形，長和寬就決定了光電池的受光面積。它是吸收光能的一項(xiàng)參數(shù)，光電池受光面積越大，吸收光能就越多，產(chǎn)生電壓、電流就越大。當(dāng)然，光電池產(chǎn)生電壓、電流，還與制作材料，，芯片串、并聯(lián)的數(shù)目，光照強(qiáng)弱等因數(shù)有關(guān)。

如2CR31型光電池的面積為5 mm * 10 mm，在30℃入射光強(qiáng)100 mW/cm2的條件下，開路電壓為0.5 V，短路電流為15 mA。

效率指光電池將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿哪芰?，是以功率方式來轉(zhuǎn)換的，常用百分?jǐn)?shù)表示。

最大輸出功率

即為光電池接最佳負(fù)載時(shí)的輸出功率