光电转换材料

光电转换材料

photoelectric conversion material

通过光生伏打效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库，地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×1018千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池，转换效率高达20％，但其成本高，主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池，虽然光电转换效率不高（约10％），但价格低廉，已获得大量应用。此外，化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料，也得到研究和应用。2100433B

是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库，地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×10 (18次方) 千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池，转换效率高达20%，但其成本高，主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池，虽然光电转换效率不高（约10%），但价格低廉，已获得大量应用。此外，化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料，也得到研究和应用。

半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。光电器件主要有：利用半导体光敏特性工作的光电导器件、利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

一、 光电导器件

半导体材料的光敏特性，即当半导体材料受到一定波长光线的照射时,其电阻率明显减小,或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子 逸出来的电子及其留下的空位----- 空穴。电从原子中逃逸出来,必须吉凶服原子的束缚而做功，而光照正是向电子提供能量,使它有能力逃逸出来的一种形式。因此，光照可以改变载流子的浓度,从而必变半导体的电导率。光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管光电三极管等。

1、光敏电阻

这是一种半导体电阻。在没有光照时,电阻很大;在一定波长范围的光照下,电阻值明显变小。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感,用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、γ射线也敏感；硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。感光面积大的光敏电阻,可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻,其光照电阻小于50千欧,暗电阻大于50兆欧。

2、光电二极管

光电二极管的管芯也是一个PN结,只是结面积比普通二极管大,便于接收光线。但和普通二极管不同,光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0-1微安左右。在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。

3、光电三极度管

光电三极管的结构与普通三极度管相同,但基区面积较大,便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子----空穴时，形成基极电流，而集电极电流是基极电流β倍，因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。

二、光伏打器件----硅光电池

半导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应，叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。

硅光电池就是一个大面积PN结。光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向PN结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失,大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结；大部分光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结，到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型号区的积累，会在在PN对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载,起着电池的作用。

硅光电池的用途极度为广泛。主要用于下述几个方面：

能源----硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造成卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。

光电检测器件----用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、电影还音等设备的光感受器。

光电控制器件----用作光电开关等光电控制设备的转换器件。

三、半导体发光器件

半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数字管等。

1、发光二极管

发光二极管的管芯也是一个PN结,并具有单向导电性。PN结加上正向电压时,电子由N区渡越(扩散)到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现，因此，可以直接将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色(波长)，困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。

发光二极管工作电压很低(1 5-3伏),工作电流很小(10-30毫安),耗电极省。可作灯光信号显示、快速光源,也呆同时起整流和发光两种作用。

2、发光数字管

把磷化镓发光管或磷化镓发光管的管芯制成条状,用七条发光管组成七段式数字显示管，可以显示从0到9的十个数字。这种半导体数字显示管的优点是体积小、耗电省、寿命长、响应速度快。它可以作为各种小型计算器及数字显示仪表的数字显示用。

3、光电耦合器

把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起就组成了具有电---光---电转换功能的光电耦合器。显然,给耦合器输入一个电信号，发光器件就发光,光被光接收器件接收后，又转成换成电信号输出。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈，具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关，这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题，可靠性很高。

光电转换电池材料，能将吸收的太阳能转换为电能并用于制备电池的材料。

所制电池称光电转换电池，简称太阳电池、光电池。太阳能是一种巨大的能源，地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×1018千瓦·时。太阳电池是最清洁的能源，其应用非常广泛。种类和制备　光电转换电池材料按原理和电池结构分为半导体太阳电池材料、光电化学电池材料和有机光电转换电池材料。常用的是半导体太阳电池材料，主要有硅太阳电池材料，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅；化合物半导体太阳电池材料，如Ⅲ–Ⅴ族、Ⅱ–Ⅵ族化合物半导体，多以薄膜形式应用。有机光电转换电池材料是正在发展的一种太阳电池材料，它拟合光合作用中心，基本反应单元由有机分子组成。光电转换电池材料的制备工艺依材料种类、形态而异。单晶材料主要采用直拉法和区熔法制备。薄膜材料可采用外延生长、气相沉积、溅射、真空蒸发等工艺方法制备。有机光电转换电池材料采用有机合成等方法制备。寻求大面积、高效率、长寿命、低成本、抗辐射、重量轻的光电转换电池材料是其发展方向。工作原理　半导体太阳电池材料的工作原理是：将相同材料或两种不同半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射其表面时，通过PN结产生的光生伏打效应将太阳能转换为电能。实现这一光电转换的过程是：电池材料在阳光照射下，吸收了能量大于其禁带宽度的光子，在N区耗尽区和P区激发产生光生电子–空穴对；光生电子–空穴对在耗尽区产生后，立即被内建场分离，光生电子进入N区，而光生空穴被推入P区。根据耗尽近似条件，耗尽区边界处的载流子浓度近似为零。在N区中，光生电子–空穴对产生以后，光生空穴便向PN结边界扩散，一旦到达PN结边界，立即受到内建电场作用，被电动力牵引作漂移运动，超过耗尽区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。P区中的光生电子（少数载流子）同样地由扩散、漂移进入N区，光生空穴（多数载流子）留在P区。如此便在PN结两侧形成正、负电荷的积累，产生了光生电压。这一过程就是半导体光电转换电池材料工作的原理，即光生伏打效应。当光电转换PN结构电池材料做上电极形成光电池并接上一负载后，光电流就从P区经负载流向N区，负载中即得到电功率输出。太阳电池光电特性　表征参数有以下6种：①光电转换效率。电池受光照射后，其输出电功率与入射光功率之比。②填充因子。电池的最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。③短路电流。受光照的电池被短路，PN结处于零偏压时的电流。④开路电压。电池受光照而未接负载时两端出现的光电压。⑤光谱响应。电池对各种光谱辐照度的响应。响应是指一定能量的单色光入射到电池表面时，所产生的光生载流子被收集后形成的光生电流的大小。⑥抗辐照特性。光电池抵抗空间各种射线辐照损伤的能力。它影响电池在空间使用的寿命。材料选择原则　光电池的质量除与器件工艺有关外，起决定作用的是材料特性，主要材料特性参数有以下4种：①禁带宽度。半导体的导带最低能量与价带最高能量的间隙，它决定光电池的光电转换效率、光电池的开路电压和短路电流的理论值。②少数载流子（简称少子）的扩散长度和寿命。它对光电池的反向饱和电流和收集光生载流子的效率有影响。③光学性质。只有大于材料禁带宽度的那些光子，才能产生本征吸收，有利于提高光电转换效率。④晶体完整性。材料的完整性影响迁移率、少子寿命和光吸收等电学和光学特性，从而影响光电池特性。