檢測(cè)與轉(zhuǎn)換技術(shù)第5章3

電能量傳感器第三部分壓電傳感器的應(yīng)用例1：壓電式測(cè)力傳感器壓電式三向力傳感器2012.10.6例2：壓電式壓力傳感器電極結(jié)構(gòu)預(yù)緊力2012.10.6例3：壓電引信壓電陶瓷：彈丸起爆裝置——破甲彈2012.10.6例4：火炮膛內(nèi)壓力測(cè)試發(fā)射藥在膛內(nèi)燃燒形成壓力完成炮彈的發(fā)射。膛內(nèi)壓力的大小，不僅決定著炮彈的飛行速度，而且與火炮、彈丸的設(shè)計(jì)有著密切關(guān)系。2012.10.6四、壓電式傳感器的應(yīng)用

2012.10.61.壓電式加速度傳感器

圖是一種壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。它主要由壓電元件、質(zhì)量塊、預(yù)壓彈簧、基座及外殼等組成。整個(gè)部件裝在外殼內(nèi)，并由螺栓加以固定。壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖2012.10.62012.10.6

當(dāng)加速度傳感器和被測(cè)物一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)，壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用，根據(jù)牛頓第二定律，此慣性力是加速度的函數(shù)，即F=ma（3-14）式中：F——質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力；

m——質(zhì)量塊的質(zhì)量；

a——加速度。

此時(shí)慣性力F作用于壓電元件上，因而產(chǎn)生電荷q，當(dāng)傳感器選定后，m為常數(shù)，則傳感器輸出電荷為q=d11F=d11ma與加速度a成正比。因此，測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小。2012.10.62.壓電式壓力傳感器

圖5-19是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、絕緣套、電極、上蓋及基座等組成。圖5-19壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖

2012.10.6

傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.1-0.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型，利用其縱向壓電效應(yīng)，通過d11實(shí)現(xiàn)力—電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為φ8×1mm。該傳感器的測(cè)力范圍為0-50N，最小分辨率為0.01N，固有頻率為50-60kHz，整個(gè)傳感器重為10g。2012.10.62012.10.62012.10.6例6：沖擊試驗(yàn)臺(tái)的標(biāo)定和檢測(cè)產(chǎn)品過載沖擊試驗(yàn)跌落高度h被沖擊介質(zhì)：鋼、橡膠、塑料、木塊加速度產(chǎn)品2012.10.6例7：汽車安全氣囊系統(tǒng)事故性碰撞：點(diǎn)火信號(hào)、電點(diǎn)火管、氣體發(fā)生劑、氣體、充氣、彈性體2012.10.6例8：氣體發(fā)生器輸出特性測(cè)試密封容器壓力測(cè)試法2012.10.6例9：振動(dòng)測(cè)量儀加速度160ug-10g速度0.4-80cm/s振幅4um-8cm轉(zhuǎn)換開關(guān)SA：V：D：積分：振動(dòng)速度、幅值2012.10.6例10：壓電式血壓傳感器例11：指套式電子血壓計(jì)2012.10.6例12：玻璃破碎報(bào)警器2012.10.6例13：水深測(cè)量儀2012.10.6例14：逆壓電效應(yīng)的應(yīng)用聲表面波傳感器延遲時(shí)間SAW振子：LC諧振回路振動(dòng)頻率2012.10.6用于結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)的冰傳感器結(jié)冰現(xiàn)象的危害：鐵路電力機(jī)車接觸網(wǎng)導(dǎo)線上結(jié)冰影響機(jī)車正常行駛、冷庫物資防冰、飛機(jī)安全飛行結(jié)冰狀況監(jiān)測(cè)：是否結(jié)冰、冰層厚度基于壓電效應(yīng)的冰傳感器原理：三電極片式壓電器件：2012.10.6電極1、2間加交變電壓：壓電晶體機(jī)械振動(dòng)，系統(tǒng)的諧振頻率：——等效剛度——等效質(zhì)量冰層檢測(cè)原理：極板1上無附加物：以自身的諧振頻率作機(jī)械振動(dòng)；極板1上有冰凍：冰層增加系統(tǒng)剛度，諧振頻率增大；冰層越厚：剛度增加越大，諧振頻率越大。三電極壓電元件：T型LC三端元件，構(gòu)成振蕩電路。2012.10.6光電池是一種光電轉(zhuǎn)換元件，它不需外加電源而能直接把光能轉(zhuǎn)換為電能

硅光電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)而制成的光電轉(zhuǎn)換元件

性能穩(wěn)定，光譜響應(yīng)范圍寬，轉(zhuǎn)換效率高，線性相應(yīng)好，使用壽命長，耐高溫輻射，光譜靈敏度和人眼靈敏度相近等。它在分析儀器、測(cè)量儀器、光電技術(shù)、自動(dòng)控制、計(jì)量檢測(cè)、計(jì)算機(jī)輸入輸出、光能利用等領(lǐng)域用作探測(cè)元件，得到廣泛應(yīng)用第四節(jié)光電池2012.10.6光電池2012.10.6光電池種類繁多，早期出現(xiàn)的有氧化亞銅光電池，因轉(zhuǎn)換效率低已很少使用。目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。硒光電池因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表、照度計(jì)等分析、測(cè)量儀器。硅光電池與其它半導(dǎo)體光電池相比，不僅性能穩(wěn)定，還是目前轉(zhuǎn)換效率最高(達(dá)到17％)的幾乎接近理論極限的一種光電池。此外，還有薄膜光電池、紫光電池、異質(zhì)結(jié)光電池等。薄膜光電池是把硫化鎘等材料制成薄膜結(jié)構(gòu)，以減輕重量、簡(jiǎn)化陣列結(jié)構(gòu)，提高抗輻射能力和降低成本。紫光電池是把硅光電池的PN結(jié)減薄至結(jié)深為0.2～0.3μm，光譜響應(yīng)峰值移到600nm左右，來提高短波響應(yīng)，以適應(yīng)外層空間使用。2012.10.6光電池硒光電池的光譜特性

0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0電壓源：將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱?dòng)勢(shì)硒光電池硅光電池硒光電池的結(jié)構(gòu)（1）硒光電池2012.10.6硒光電池的伏安特性（2）硅光電池硅光電池的結(jié)構(gòu)2012.10.6

直接把太陽光能轉(zhuǎn)換成電能的器件(光伏效應(yīng))，光伏效應(yīng)本質(zhì)上是由于吸收光輻射而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)現(xiàn)象。

1839年貝克里爾(Becqurel)觀察到插在電解液中兩電極間的電壓隨光照強(qiáng)度變化的現(xiàn)象。

1876年在固體硒中，弗里茲(Fritts)也觀測(cè)到這種效應(yīng)。盡管光伏效應(yīng)在氣體、液體或固體中都能發(fā)生，但只有在固體中，尤其在半導(dǎo)體材料中，才能獲得可供利用的光電轉(zhuǎn)換效率。2012.10.6

1954年第一個(gè)實(shí)用半導(dǎo)體硅pn結(jié)太陽電池的問世，證明了這一點(diǎn)。半導(dǎo)體太陽電池的優(yōu)點(diǎn)是效率高、壽命長、重量輕、性能可靠，甚至可以不用維護(hù)，使用方便。從1958年開始，用作人造衛(wèi)星、宇宙飛船、行星際站的重要長期電源。

目前的太陽電池成本較高，大規(guī)模的太空應(yīng)用或地面應(yīng)用都受到限制。人類正在研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝的高效率、低成本的太陽電池。2012.10.6緊急交通標(biāo)志

太陽能電池還裝在人造衛(wèi)星上，用來為其供電。海上應(yīng)用日常生活太陽能電池的計(jì)算器2012.10.62012.10.6

太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。

2012.10.6硅光電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖形符號(hào)

光電池2012.10.62012.10.6光電池外形光敏面2012.10.6光電池組

光電池

光電池

常見的光電池

2012.10.62012.10.6能提供較大電流的大面積光電池外形2012.10.6硅光電池結(jié)構(gòu)示意如圖-+RLpn防反射膜(SiO2）pn+-SiO2pn結(jié)硅光電池2012.10.6光電池的表示符號(hào)、基本電路及等效電路如圖所示。IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路2012.10.6半導(dǎo)體太陽電池種類繁多。有太空用太陽電池的理想材料硅、砷化鎵、磷化銦單晶；多晶硅，還有適宜發(fā)展低成本太陽電池的非晶硅、硒銦銅、碲化鎘、硫化鎘等薄膜材料。pn型pin型肖特基勢(shì)壘型帶反型層的MIS型及異質(zhì)結(jié)型按光伏結(jié)構(gòu)中勢(shì)壘的不同，太陽電池可分為：2012.10.6——不同頻率或波長的光具有不同的能量光電效應(yīng)波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子光——以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流波粒二象性2012.10.6金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照

電子——光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理光照半導(dǎo)體

電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)內(nèi)光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照

電子逸出物體表面外光電效應(yīng)1、定義及分類2012.10.6——只有當(dāng)入射光能量大于電子逸出功時(shí)，才能產(chǎn)生光電子，紅限頻率——光電流與入射光強(qiáng)成正比——光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，負(fù)截止電壓——從光照至發(fā)射電子，時(shí)間<10-9s2、外光電效應(yīng)電子吸收光子能量克服物質(zhì)的束縛，電子逸出功轉(zhuǎn)化為逸出電子的動(dòng)能2012.10.63、內(nèi)光電效應(yīng)光生電子-空穴對(duì)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)載流子數(shù)目增多、電導(dǎo)率變大條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度4、光電導(dǎo)效應(yīng)2012.10.6能帶理論能級(jí)（EnegyLevel）在孤立原子中，原子核外的電子按照一定的殼層排列，每一殼層容納一定數(shù)量的電子。每個(gè)殼層上的電子具有分立的能量值，也就是電子按能級(jí)分布。為簡(jiǎn)明起見，在表示能量高低的圖上，用一條條高低不同的水平線表示電子的能級(jí)，此圖稱為電子能級(jí)圖。禁帶（ForbiddenBand）：允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。

原子殼層中的內(nèi)層允許帶總是被電子先占滿，然后再占據(jù)能量更高的外面一層的允許帶。被電子占滿的允許帶稱為滿帶，每一個(gè)能級(jí)上都沒有電子的能帶稱為空帶。2012.10.6能帶理論能級(jí)（EnegyLevel）價(jià)帶（ValenceBand）：原子中最外層的電子稱為價(jià)電子，與價(jià)電帶。

導(dǎo)帶（ConductionBand）：價(jià)帶以上能量最低的允許帶稱為導(dǎo)帶。導(dǎo)帶的底能級(jí)表示為Ec，價(jià)帶的頂能級(jí)表示為Ev，Ec與Ev之間的能量間隔為禁帶Eg。導(dǎo)體或半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用是通過帶電粒子的運(yùn)動(dòng)（形成電流）來實(shí)現(xiàn)的，這種電流的載體稱為載流子。導(dǎo)體中的載流子是自由電子，半導(dǎo)體中的載流子則是帶負(fù)電的電子和帶正電的空穴。對(duì)于不同的材料，禁帶寬度不同，導(dǎo)帶中電子的數(shù)目也不同，從而有不同的導(dǎo)電性。

2012.10.6——對(duì)于每種半導(dǎo)體材料存在一個(gè)入射光的波長限——入射光光強(qiáng)愈強(qiáng)，電導(dǎo)率愈大——入射光波長——禁帶寬度光照下，使半導(dǎo)體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。4、光生伏特效應(yīng)2012.10.6一、光伏效應(yīng)的兩個(gè)基本條件光伏效應(yīng)就是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在其勢(shì)壘區(qū)兩邊產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光伏效應(yīng)是半導(dǎo)體太陽電池實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的理論基礎(chǔ)。為使這些光電器件能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)(或光生積累電荷)，它們應(yīng)該滿足以下兩個(gè)條件：2012.10.6

第一，半導(dǎo)體材料對(duì)一定波長的入射光有足夠大的光吸收系數(shù)α，即要求入射光子的能量hγ大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg，使該入射光子能被半導(dǎo)體吸收而激發(fā)出光生非平衡的電子空穴對(duì)。第二，具有光伏結(jié)構(gòu)，即有一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)所對(duì)應(yīng)的勢(shì)壘區(qū)。2012.10.6

光電池核心部分是一個(gè)PN結(jié)，一般做成面積較大的薄片狀，來接收更多的入射光。圖示的是硒光電池的結(jié)構(gòu)。制造工藝是：先在鋁片上覆蓋一層P型硒，然后蒸發(fā)一層鎘，加熱后生成N型硒化鎘，與原來P型硒形成一個(gè)大面積PN結(jié)，最后涂上半透明保護(hù)層，焊上電極，鋁片為正極，硒化鎘為負(fù)極。2012.10.6光電池的工作原理N型硅片PN結(jié)擴(kuò)散層（P層）電極光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。2012.10.6出去活動(dòng)一下2012.10.6二硅光電池的工作原理

硅光電池是一個(gè)大面積的光電二極管，它可把入射到它表面的光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)有光照時(shí)，入射光子將把處于介帶中的束縛電子激發(fā)到導(dǎo)帶，激發(fā)出的電子空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下分別漂移到N型區(qū)和P型區(qū)，當(dāng)在PN結(jié)兩端加負(fù)載時(shí)就有一光生電流流過負(fù)載。光電池結(jié)構(gòu)示意圖2012.10.62012.10.6

在零偏條件下，如用光照射p區(qū)或n區(qū)，只要照射光的波長滿足λλc，都會(huì)激發(fā)出光生電子--空穴對(duì)。光照p區(qū)，由于p區(qū)的多數(shù)載流子是空穴，光照前熱平衡空穴濃度本來就比較大，因此光生空穴對(duì)p區(qū)空穴濃度影響很小。相反，光生電子對(duì)p區(qū)的電子濃度影響很大，從p區(qū)表面(吸收光能多，光生電子多)向p區(qū)內(nèi)自然形成電子擴(kuò)散趨勢(shì)。如果p區(qū)厚度小于電子擴(kuò)散長度，那么大部分光生電子都能擴(kuò)散進(jìn)入P-n結(jié)。2．pn結(jié)的光電轉(zhuǎn)換原理2012.10.6

一進(jìn)入p-n結(jié)．就被內(nèi)電場(chǎng)拉向n區(qū)。這樣．光生電子-空穴對(duì)就被內(nèi)電場(chǎng)分離開來，空穴留在p區(qū)，電子通過擴(kuò)散流向n區(qū)。這時(shí)用電壓表就能測(cè)量出p區(qū)正,n區(qū)負(fù)的開路電壓un，稱為光生伏特效應(yīng)。如果用一個(gè)理想電流表接通p-n結(jié)，則有電流i0通過．稱為短路電流。綜上所述，光照零偏p-n結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)，稱為光伏效應(yīng)。這也是光電池的工作原理。2012.10.6

從上面分析可知，光生電壓起源于定向光生電流提供的、在勢(shì)壘兩邊分別積累的兩種光生電荷。假設(shè)勢(shì)壘區(qū)中復(fù)合可以忽略，各區(qū)電子空穴對(duì)產(chǎn)生率為恒定值G的簡(jiǎn)單情況下，光生電流表達(dá)式可寫成：

IPh

＝qAG(Ln+W+Lp

)

式中q是電子電荷，A為勢(shì)壘區(qū)面積，Ln、Lp是電子和空穴的擴(kuò)散長度，Ｗ是勢(shì)壘區(qū)寬度。2012.10.6

（1）PN結(jié)兩端的電流：

光電池處于零偏時(shí)，V＝0，流過PN結(jié)的電流I＝－IP；光電池處于反偏時(shí)（實(shí)驗(yàn)中取V＝－5V），流過PN結(jié)的電流I＝－IP-Is，當(dāng)光電池用作光電轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須處于零偏或反偏狀態(tài)。

2012.10.6（2）光電流IP與輸出光功率Pi之間的關(guān)系：

R為響應(yīng)率，R值隨入射光波長的不同而變化，對(duì)不同材料制作的光電池R值分別在短波長和長波長處存在一截止波長。2012.10.6

由上述分析可知，理想pn結(jié)太陽電池可以用一恒定電流源Iph(光生電流)及一理想二極管的并聯(lián)來表示。故理想pn結(jié)太陽電池的等效電路如圖所示?？紤]實(shí)際太陽電池上存在泄漏電阻Rsh和串聯(lián)電阻Rs，那么，實(shí)際等效電路如圖示。二、等效電路、伏安特性及輸出特性l．pn結(jié)太陽電池的等效電路2012.10.6

2．理想情況

在理想情況下，pn結(jié)太陽電池的Rsh很大，Rs很小，兩者影響都可忽略。根據(jù)圖所示理想等效電路，三股電流應(yīng)滿足如下關(guān)系：

Iph-IF＋I(xiàn)＝０

其中理想pn結(jié)二極管的正向注入電流為：

式中I0是pn結(jié)反向飽和電流，q是電子電荷，k是玻耳茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。將式代入得到通過負(fù)載的電流：2012.10.6

這就是理想情況下負(fù)載電阻上電流與電壓的關(guān)系，即太陽電池的伏安特性。其曲線如圖所示。從式及其伏安特性曲線上，可以得出描述太陽電池的幾個(gè)輸出參數(shù)[（1）短路電流Isc，是V=0時(shí)的輸出電流。在理想情況下，它等于光生電流Iph

（2）開路電壓Voc。令式中I=0，則給出開路電壓的理想值：2012.10.62012.10.6L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池（1）光照特性光電器件工作電壓一定時(shí)，入射光通量與光電流的關(guān)系

開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流2012.10.6硅光電池的光照特性

0

2000

40006000

800010000

0.60.5

0.4

0.30.2

0.1

100

80

6040

202012.10.62012.10.6

3）太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率η

式中Pin是入射到電池上光總功率。實(shí)際上，太陽電池存在著Rs

和Rsh的影響。根據(jù)實(shí)際等效電路，可以推導(dǎo)出實(shí)際太陽電池的伏安特性：3．非理想情況2012.10.6

光電轉(zhuǎn)換效率η是表征太陽電池性能的最重要的參數(shù)。闡述入射太陽輻射功率計(jì)算的依據(jù)，再以硅pn結(jié)太陽電池為主，兼顧其它種類電池，討論理想情況下最大理論效率的一種考慮計(jì)算方法?？紤]在非理想情況下，影響效率的諸多因素及效應(yīng)。太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率2012.10.6太陽能電池的性能指標(biāo)--轉(zhuǎn)換效率

太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是指電池將接收到的光能轉(zhuǎn)換成電能的比率

晶硅類理論轉(zhuǎn)換效率極限為29%。而現(xiàn)在的太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率為17%～19%。因此,太陽能電池的技術(shù)上還有很大的發(fā)展空間。2012.10.62012.10.6硅光電池的光譜特性

0.2

0.40.60.81.01.210080

60

4020

0硅光電池的伏安特性光譜特性：工作電壓不變，入射光波長與靈敏度（量子效率）的關(guān)系2012.10.6204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池2012.10.6

太陽電池所利用的太陽能來源于太陽輻射。太陽中心發(fā)生的核聚變反應(yīng)，連續(xù)不斷地釋放出巨大能量，主要以光輻射形式從太陽表面的發(fā)光層向太空輻射。表面發(fā)光層溫度約6000K，其輻射光譜與6000K絕對(duì)黑體的連續(xù)輻射光譜類似(見圖)。

太陽輻射光譜AM0和AMl.52012.10.6

太陽輻射經(jīng)過日-地平均距離(約1.5×108公里)，傳播到地球大氣層外面，其輻射能面密度已大大降低。在這個(gè)距離上，垂直于太陽輻射方向單位面積上的輻射功率基本上是個(gè)常數(shù)，稱為太陽常數(shù)。其數(shù)值是1.353kW／m2。這是許多國家使用高空氣球、高空飛機(jī)、人造衛(wèi)星、宇宙飛船等對(duì)太陽輻射進(jìn)行大量測(cè)試、綜合而得到的公認(rèn)數(shù)據(jù)。2012.10.6

目前世界上許多國家把太陽常數(shù)作為計(jì)算太空用太陽電池的入射光功率密度的依據(jù)，又稱AMO光譜條件。在此條件下測(cè)試太空用太陽電池效率時(shí)，光源應(yīng)滿足圖AMO的光譜分布，總能量為135.3mW／cm2，電池測(cè)試溫度為25℃。2012.10.6

AMO光譜的太陽輻射經(jīng)過大氣層中臭氧、氧氣、水汽、二氧化碳及懸浮固體微粒(煙塵、粉等)的吸收、散射和反射，到達(dá)地面時(shí)，光譜分布上出現(xiàn)了許多吸收谷，而且總輻射能至少衰減掉30％(如圖所示)。在晴朗天氣的理想條件下，決定投射于地面的太陽輻射功率的最重要參數(shù)是光穿過大氣層通路的長度。當(dāng)太陽位于天頂，該長度最短。任一實(shí)際光通路長度與此最短長度之比稱為大氣質(zhì)量，符號(hào)記為AM(AirMass的縮寫)。2012.10.62012.10.6(3)頻率特性

光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。圖示為光電池的頻率響應(yīng)曲線。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，如曲線2，而硒光電池則較差，如曲線1。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池2012.10.62012.10.6（4）溫度特性

光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線2012.10.6

太陽電池在光電能量轉(zhuǎn)換過程中，由于存在各種附加的能量損失，實(shí)際效率比上述的理論極限效率低。下面以pn結(jié)硅太陽電池為例,來闡述各種能量損失之機(jī)理，作為改進(jìn)太陽電池的設(shè)計(jì)及工藝，提高其效率的基礎(chǔ)。影響太陽電池效率的一些因素2012.10.6太陽電池效率損失中，有三種是屬于“光學(xué)損失”，其主要影響是降低了光生電流值。（1）反射損失R(λ)：從空氣(或真空)垂直入射到媒質(zhì)(如半導(dǎo)體材料)的單色光的反射率：

1．光生電流的光學(xué)損失式中n為半導(dǎo)體材料復(fù)數(shù)折射率N之實(shí)部，即普通折射率，k是其虛部，稱為消光系數(shù)。2012.10.6

每種材料的n和k都與入射光之波長有關(guān)。對(duì)硅來說，其關(guān)系曲線如圖所示。把n、k的結(jié)果代入式中，發(fā)現(xiàn)在感興趣的太陽光譜中，超過30%的光能被裸露硅表面反射掉了。硅折射率的實(shí)部n與虛部k與光子能量的關(guān)系2012.10.6(3)透射損失：如果電池厚度不足夠大，某些能量合適能被吸收的光子可能從電池背面穿出。這決定了半導(dǎo)體材料之最小厚度。(2)柵指電極遮光損失c，定義為柵指電極遮光面積在太陽電池總面積中所占的百分比。對(duì)一般電池來說，c約為4%～15%。Pn結(jié)硅太陽電池的截面圖間接帶隙半導(dǎo)體要求材料的厚度比直接帶隙的厚。對(duì)于硅和砷化鎵的計(jì)算結(jié)果示于圖中。光生載流子的定向運(yùn)動(dòng)形成光生電流Iph最大光生電流值為：2012.10.6式中Nph(Eg)為每秒鐘投射到電池上能量大于Eg的總光子數(shù)。Iphmax=qNph（Eg）)式中(λ)為投射在電池上、波長為λ，單位帶寬的光子數(shù)；ηi為量子產(chǎn)額，即一個(gè)能量大于帶隙Eg的光子產(chǎn)生一對(duì)光生電子空穴對(duì)的幾率，通?？闪瞀莍=1；dx為距電池表面xt處厚度為dx的薄層；H為電池厚度；G（λ、x）表示由波長為λ、單位帶寬的光子射進(jìn)材料在x處的產(chǎn)生率?？紤]上述三種光學(xué)損失及材料吸收之后，光