解析光电传感器器件之光电池的结构原理

知识点：光电池

光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。其中，最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点，例如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值位置在人眼的视觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常常用到它。下面着重介绍硅光电池，同时顺便介绍一下硒光电池。

光电池的结构原理

　　

硅光电池也称硅太阳能电池，它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（例如，硼）形成P-N结，如下图所示。

硅光电伏特电池的构造和图示符号

　　

当入射光照射P型区表面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子和空穴。P型区表面吸收的光子最多，激发出的电子空穴对也最多。越向内部，电子空穴对越少。由于浓差，形成从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是P型区的多数载流子。入射光所产生的空穴浓度比原有热生空穴要低得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达P-N结过浓区，则在结电场的作用下正好将电子推向N型区。这样光照所产生的电子空穴对就被结电场分离开来，从而使P型区带阳电，N型区带阴电，形成光生电动势（即两者之间形成电位差）。

　　

目前，硅光电池有两种系列：2DR型和2CR型。2DR型是以P型硅为衬底，进行N掺杂形成PN结；2CR型是以N型硅为衬底，进行P掺杂形成PN结。在结构上相似于光电二极管，其区别在于硅光电池用的衬底材料的电阻率低，约为0.1?0.01Ω?cm，而硅光电二极管衬底材料的电阻率约为10000Ω?cm。下图为2DR型硅光电池的结构原理和符号。上电极为栅状受光电极，下电极为衬底铝电极。栅状电极能减小电极与光敏面的接触电阻，增大透光面积。其上还蒸镀增透膜，可减少反射损失，同时对光电池起保护作用。

　　图 2DR型硅光电池的结构原理

　　

在一定光照下，如果改变负载电阻RL，则负载电阻的电流I和电压U都要变化。输出电流和电压随负载电阻变化的曲线为光电池的伏-安特性。下图为不同照度下的伏-安特性曲线族。

　　

从能量转换观点，希望负载电阻获得最大功率，即输出电流和电压之积RL值最大。由下图伏-安特性可知，Q点对应的IU面积最大，即光电池输出功率最大。

图 光电池的付安特行曲线

　　

硅光电池与其他能量转换器件相比具有很多优点：轻便，简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用光电池，尤其适于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。

　　

下表为国产硅光电池的特性参数。由下表可见，硅光电池的最大开路电压为600mV；在辐照度相等的情况下，光敏面积越大，输出的光电流也越大。

　　表 硅光电池2CR型特性参数

　　

硒光电池是在铝片上涂硒，再用濺射的方法，在硒层上形成一层半透明的氧化镉。在正反两面喷上低溶合金作为电极，如下图所示。

硒光电伏特电池的构造和图示符号

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