光伏电池

定义与原理

光电池是一种基于光生伏特效应的结型光电器件，能够将光能直接转换为电能。其核心结构是一个大面积的PN结（或金属-半导体接触面）。当入射光照射到PN结上时，若光子能量 $h\nu$ 大于半导体材料的禁带宽度 $E_g$，则在PN结附近激发出电子-空穴对。PN结内建电场（方向由N区指向P区）将N区的光生空穴拉向P区，将P区的光生电子拉向N区，结果使P区带正电、N区带负电，从而在PN结两端产生电位差（光生电动势）。若将PN结两端用导线连接，电路中就有电流流过，电流方向由P区经外电路至N区；若外电路断开，则可测出光生电动势。

光照特性

光电池在不同光照下，其光电流和光生电动势不同，二者与光照强度的关系称为光照特性。

• 短路电流：外接负载相对于光电池内阻很小时的光电流。在很大范围内与光照强度成线性关系。
• 开路电压：负载电阻无穷大时的光生电动势。与光照强度的关系是非线性的，在给定光源光谱、材料、温度、暗流和工作条件固定时，开路电压随光照强度近似对数增长，并在较高照度下趋于饱和；饱和对应的照度阈值不是通用值，不能将2000 lx直接泛化到任意红外或变谱响应条件。

因此，光电池作为测量元件时，常把它作为电流源来使用，使其接近短路工作状态，以利用短路电流与光照强度间的线性关系；开路电压可经非线性标定用于定量测量，光电池也可作发电电源，不能无条件禁止电压读出。负载电阻越小，光电流与照度间的线性关系越好，线性范围也越宽。

光谱特性

光电池对不同波长的光灵敏度不同。硅光电池的光谱响应波长范围为0.4～1.2 μm，峰值在0.8 μm附近；硒光电池的光谱响应波长范围为0.38～0.75 μm，峰值在0.5 μm附近。硅光电池的光谱响应范围更宽，硒光电池在可见光谱范围内有较高灵敏度，适宜测可见光。使用光电池时应对光源有所选择。

频率特性

光电池的PN结面积大，极间电容大，因此频率特性较差。硅光电池具有较好的频率特性和较高的频率响应，适用于高速计数等场合；硒光电池频率响应较差。作为测量、计数、接收器件时，常用调制光作为输入。

温度特性

半导体材料易受温度影响，光电池的开路电压和短路电流随温度变化。硅光电池在1000 lx光照下，开路电压随温度升高而快速下降，短路电流随温度升高而增加，在一定温度范围内二者都与温度成线性关系。温度特性影响测量仪器的温漂和测量或控制精度。作为测量元件时，最好保证温度恒定或采取温度补偿措施。

稳定性

光电池密封良好、电极引线可靠且应用合理时，性能相当稳定。硅光电池的性能比硒光电池更稳定。性能和寿命主要取决于材料及制造工艺，以及使用环境条件。

种类与符号

常见光电池有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等。硅光电池性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长，应用最广。硒光电池光谱特性与人眼视觉相近，频谱较宽，常用于分析仪器和测量仪表。光电池的符号、基本电路及等效电路如图9-17所示（符号通常为二极管符号加光照箭头）。

应用要点

光电池作为测量元件时，应作为电流源使用，接近短路工作状态，并选用调制光输入以减小环境光影响。用于测量时需注意温度补偿或恒温条件。