光电池的原理 - 光电池工作原理及组成_基本参数

光电池的原理

物理原理

材料

（1）N型光电导体，多子是电子，少子是空穴。主要是光子激发施主能级中的电子跃迁到导带中去，电子为主要载流子，增加了自由电子的浓度。

（2）P型光电导体，多子是空穴，少子是电子。主要是光子激发价带中的电子跃迁到受主能级，与受主能级中的空穴复合，而在价带中留有空穴，作为主要载流子参加导电，增加了空穴的浓度。

光伏效应

（1）PN结存在一个由N指向P的内建电场，热平衡时，多数载流子的扩散和少数载流子的漂移作用相抵消，没有电流通过PN结。

（2）当有光照射PN结时，样品对光子的本征和非本征吸收都将产生载流子，但是，由于P区和N区的多数载流子都被势垒阻挡而不能穿过PN结，因而只有本征吸收所激发的少数载流子才能引起光伏效应。

（3）当有光照射时，光线足以透过P型半导体入射到PN结。对于能量大于材料禁带宽度的光子，由于本征吸收，就可激发出电子、空穴、以及电子——空穴对。P区的光生电子和N区的光生空穴以及结合的电子——空穴对扩散到结电场附近时，在内建电场的作用下漂移过结，电子——空穴对被阻挡层的内建电场分开，光生电子和孔穴被分别拉到N区和P区，从而在阻挡层两侧形成电荷的堆积，产生内建电场的光生电场，使得内建电场的势垒降低，降低量等于光生电势差。光生电势差所产生的光生电流方向和结电流的方向相反，而与P—N结反向饱和电流同向。

发电原理

光电池实质是一个大面积PN结，结构如图所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生0.2V～0.6V电压，50mA电流。

光电池的主要参数

光电池常用参数并不多，主要有开路电压、短路电流、尺寸和效率。

开路电压

是指光电池受光照射时产生的无负载输出电压，用Uco表示。光电池型号不同，开路电压一般不同，如2CR31型光电池的开路电压为Uco=0.5 V。

若将接在光电池两端的外电路断开，那么被P一N结分开的所有过剩载流子便会积累在P一N结附近，并以最大的可能补偿自建电场，产生最大的光生电动势。

短路电流

是指光电池在阳光照射下正负极短路时的电流，用Isc表示。如2CR31型光电池的短路电流为Isc=15 mA。

如果把光电池短路，被P一N结分开的过剩载流子便能通过短路电路流通产生最大可能的短路电流。P一N结附近不会有过剩载流子积累，光生电动势为零。

工作电压和工作电流

若光电池通过负载电阻接通，被P一N结分开的过剩载流子中一部分把自己的能量消耗于降低自建电场，也就是建立工作电压，另一部分载流子流过负载形成工作电流。

尺寸光电池多制成长方形，长和宽就决定了光电池的受光面积。它是吸收光能的一项参数，光电池受光面积越大，吸收光能就越多，产生电压、电流就越大。当然，光电池产生电压、电流，还与制作材料，，芯片串、并联的数目，光照强弱等因数有关。

如2CR31型光电池的面积为5 mm * 10 mm，在30℃入射光强100 mW/cm2的条件下，开路电压为0.5 V，短路电流为15 mA。

效率指光电池将光能转变为电能的能力，是以功率方式来转换的，常用百分数表示。

最大输出功率

即为光电池接最佳负载时的输出功率