太阳能光电转换

《建筑学名词》第二版。 2100433B

通过聚光型或非聚光型太阳能光催化反应器，组成太阳能电池方阵，将太阳能转化为电能的工程技术。

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。

光电转换材料选取

光照射在物质上时，部份的光会被物质吸收，部份的光则经由反射或穿透等方式离开物质，选取太阳光电池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使输出功率增加。选取太阳光电池材料的第二考量是光导效果，欲选取光导效果佳的材料首先必须了解太阳光的成分及其能量分布状况，进而找出适当的物质作为太阳光电池的材料。

光电转换应用

随着传统燃料能源的减少以及对环境造成的危害也越来越严重 ,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈，越来越多的国家制定了大力发展太阳能的计划。例如，美国的“ 光伏建筑计划”、欧洲的“百万屋顶光伏计划” ，日本的“朝日计划 ” ，以及我国发展的“光明工程 ”等都极大地促进了太阳能的发展。当前太阳能电池产品类型主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半导体和叠层太阳能电池等，主要应用在以下领域。

1、用户太阳能电源：用于边远无电地区，如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电，如照明、电视、收录机等；3-5kw家庭屋顶并网发电系统；光伏水泵，解决无电地区的深水井饮用、灌溉；

2、交通领域：如航标灯、交通、铁路信号灯、交通站、光缆维护站、广播、通讯、寻呼电源系统、农村微波电话光伏系统、小型通信机、士兵供电等；

3、石油、海洋、气象领域：石油管道和水库闸门阴极保护太阳能 电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气 象/水文观测设备等；

4、太阳能制氢加燃料电池的再生发电系统；海水淡化设备供电；卫星、航天器、空间太阳能电站等。

光电转换发展前景

未来超高效率太阳能电池的发展方向主要有以下几个方面：

1、多接面、多能隙、多能带结构，使用不同能隙的材料来吸收不同波长的光子。减少载子能带内的能量释放，大幅度提高太阳能电池的效率；

2、一个光子产生多个电子一空穴对，增加输出的光 电流，从而提高太阳能 电池的效率；

3、热载子太阳能电池，提高载子温度能够大幅度提高太阳能电池的效率；

4、黑体辐射的频谱转换，将太阳光改变成理想的光源，减少载子能带内的能量释放，提高太阳能电池的效率；

5、新材料如染料感光太阳能电池、聚合物和有机物材料的太阳能电池等；

6、热光伏特效应，将不能进行光伏效应的太阳能通过晶格振动的多声子吸收转化为可以进行光伏效应的光能 ，从而提高太阳能电池的效率。

光电转换率，是指在太阳能光伏系统中太阳能电池板把太阳光能转化为电能的效率。

2021年，一般的晶硅太阳能电池组件的光电转换率在20%到26%之间 ，新一代TOPCon、 异质结电池的光电转换理论极限在29左右。

人工合成光伏材料：钙钛矿材料具备较高的吸光性能和电荷传导率，与晶硅相比具备优异的光电转换性能。单结钙钛矿太阳能电池的转换效率在过去的十年中实现了从3.8%到25.2%的飞越发展，理论极限也将达到33%。