光電轉換

在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶硅太陽光電池、多晶硅太陽光電池及非晶硅太陽光電池等三種太陽光電池主要功能在將光能轉換成電能，這個現象稱之為光伏效應(photovoltaiceffect)。光伏效應在19世紀即被發現，早期用來製造硒光電池，直到晶體管發明後半導體特性及相關技術才逐漸成熟，使太陽光電池的製造變為可能。太陽光電池之所以能將光能轉換成電能主要有兩個因素：一是光導效應(photoconductiveeffect)，二是內部電場，因此在選取太陽能電池的材料時，必須要考慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。

太陽光電池之所以能將光能轉換成電能主要有兩個因素：

1、光導效應(photoconductive effect)；

2、內部電場；

因此在選取太陽能電池的材料時，必須要考慮到材料的光導效應及如何產生內部電場。

通過光生伏打效應將太陽能轉換為電能的材料。主要用於製作太陽能電池。太陽是一個巨大的能源庫，地球上一年中接收到的太陽能高達1.8×1018千瓦時。研究和發展光電轉換材料的目的是為了利用太陽能。光電轉換材料的工作原理是：將相同的材料或兩種不同的半導體材料做成PN結電池結構，當太陽光照射到PN結電池結構材料表面時，通過PN結將太陽能轉換為電能。太陽能電池對光電轉換材料的要求是轉換效率高、能製成大面積的器件，以便更好地吸收太陽光。已使用的光電轉換材料以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。用單晶硅製作的太陽能電池，轉換效率高達20％，但其成本高，主要用於空間技術。多晶硅薄片製成的太陽能電池，雖然光電轉換效率不高（約10％），但價格低廉，已獲得大量應用。此外，化合物半導體材料、非晶硅薄膜作為光電轉換材料，也得到研究和應用。

被攝景物通過攝像機的光學系統在光電靶上成像，由於光像各點亮度不同，因而使靶面各單元受光照的強度不同，導致靶面各單元的電阻值不同。與較亮像素對應的靶單元阻值較小，與較暗像素對應的靶單元阻值較大，這樣一幅圖像上各像素的不同亮度就表現為靶面上各單元的不同電阻值，原來按照明暗分佈的“光像”就變成了相應的“電像”。

從電子槍陰極發出的電子，在電子槍電場作用下高速射向靶面，並在偏轉磁場作用下按照掃描規律掃過靶面上的各個單元。當電子束接觸到靶面某個單元時，使陰極、光電靶、負載電阻RL及電源E構成一個迴路。在負載RL中有電流流過，其電流大小取決於光電靶在該單元的電阻值大小。光照強處對應阻值較小，流過負載RL的電流就較大，因而RL兩端產生的壓降也就較大。負載電阻RL上形成的電壓就是攝像管輸出的圖像信號。

光電轉換過程（圖像的攝取過程）：被攝景物通過攝像機的光學鏡頭在光電靶上成像，被電子束將這幅圖像分解為像素，同時把各個像素的亮度轉變為在負載電阻RL上大小不同的電壓降，從而形成攝像管輸出信號。

當電子從外界獲得能量時將會跳到較高的能階，獲得的能量越多跳的能階也越高，電子處在較高的能階時並不穩定，很快就會把獲得的能量釋放回到原來的能階。如果電子獲得的能量夠高就擺脫原子核的束縛成為自由電子，電子空出來的位置則稱為空穴。自由電子可能會因為摩擦或碰撞等因素損失能量，最後受到空穴的吸引而複合。例如，硅的最外層電子要成為自由電子需要吸收1.1ev的能量，當硅最外層電子吸收到的光能量超過1.1ev時將會產生自由電子及空穴，稱之為光生電子空穴對(light-generatedelectron-holepairs)。電子空穴對的數目越多導電的效果也越好，因為光使得導電效果變好的現象稱之為光導效應(photoconductiveeffect)。

自由電子與空穴的多寡對電氣特性有很大的影響，越多的自由電子與空穴可以使導電性增加，同時也可以使輸出電流增加，因此可以推測陽光越強時生成的自由電子與空穴越多，則輸出電流也越大。然而如果只是單純的產生自由電子與空穴，將會因為摩擦及碰撞等因素失去能量，最後自由電子會與空穴複合而無法利用。為更有效地利用由電子與空穴來產生電流，因此必須加入電場使自由電子與空穴分離進而產生電流。產生電場的方式很多如PN接面、金屬半導體接面等，其中最常用的方式為PN接面。

提高自由電子濃度常用的方法是在硅中加入少量的五價原子，五價原子的四個價電子與硅鍵結后剩下一個價電子，使剩下的價電子遊離只需要0.05ev，比原來的1.1ev小很多，在室溫超過200度k時即可使所有雜質產生自由電子，同樣在硅中加入少量的三價原子可以提高空穴濃度。在硅中加入五價原子后稱之為N型半導體，加入三價原子后稱之為P型半導體。N型半導體及P型半導體雖然帶有自由電子或空穴但本身仍然保持電中性，如果N型半導體及P型半導體內雜質濃度均勻分佈則內部沒有電場存在。若將N型半導體及P型半導體接合在一起，會因為兩邊自由電子與空穴的濃度不同產生擴散。N型半導體中自由電子濃度較高，因此自由電子由N型半體向P型半導體擴散，同樣的空穴會由P型半導體向N型半導體擴散。擴散的結果使得接面附近的N型半導體失去電子得到空穴而帶正電，P型半導體失去空穴得到電子而帶負電。因為電荷密度不均因此在接面附近產生電場，如果有自由電子或空穴在電場內產生，則會因為受到電場的作用而移動，自由電子向N型半導體移動，而電洞向P型半導體移動，因此這個區域缺乏自由電子或空穴而稱之為空乏區。當光照射在空乏區內將硅原子的電子激發產生光生電子與空穴對，電子與空穴對會因為電場作用而使電池內的電荷往兩端集中，此時只要外加電路將兩端連接即可利用電池內的電力，這即是所謂的光電效應，也是太陽光電池的轉換原理。

是通過光生伏特效應將太陽能轉換為電能的材料。主要用於製作太陽能電池。太陽是一個巨大的能源庫，地球上一年中接收到的太陽能高達1.8×10(18次方)千瓦時。研究和發展光電轉換材料的目的是為了利用太陽能。光電轉換材料的工作原理是：將相同的材料或兩種不同的半導體材料做成PN結電池結構，當太陽光照射到PN結電池結構材料表面時，通過PN結將太陽能轉換為電能。太陽能電池對光電轉換材料的要求是轉換效率高、能製成大面積的器件，以便更好地吸收太陽光。已使用的光電轉換材料以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。用單晶硅製作的太陽能電池，轉換效率高達20%，但其成本高，主要用於空間技術。多晶硅薄片製成的太陽能電池，雖然光電轉換效率不高（約10%），但價格低廉，已獲得大量應用。此外，化合物半導體材料、非晶硅薄膜作為光電轉換材料，也得到研究和應用。

半導體光電器件是把光和電這兩種物理量聯繫起來，使光和電互相轉化的新型半導體器件。光電器件主要有：利用半導體光敏特性工作的光電導器件、利用半導體光伏打效應工作的光電池和半導體發光器件等。

一、光電導器件

半導體材料的光敏特性，即當半導體材料受到一定波長光線的照射時,其電阻率明顯減小,或者說電導率增大的特性。這個現象也叫半導體的光電導特性。利用這個特性製作的半導體器件叫光電導器件。半導體材料的電導率是由載流子濃度決定的。載流子就是由半導體原子逸出來的電子及其留下的空位-----空穴。電從原子中逃逸出來,必須克服原子的束縛而做功，而光照正是向電子提供能量,使它有能力逃逸出來的一種形式。因此，光照可以改變載流子的濃度,從而改變半導體的電導率。光電導器件主要有光敏電阻、光電二極體光電三極體等。

1、光敏電阻

這是一種半導體電阻。在沒有光照時,電阻很大;在一定波長範圍的光照下,電阻值明顯變小。製作光敏電阻的材料主要有硅、鍺、硫化鎘、銻化銦、硫化鉛、硒化鎘、硒化鉛等。硫化鎘光敏電阻對可見光敏感,用硫化鎘單晶製造的光敏電阻對X射線、γ射線也敏感；硫化鉛和銻化銦對紅線外線光敏感。利用這些光敏電阻可以製成各種光探測器。感光面積大的光敏電阻,可以獲得較大的明暗電阻差。如國產625-A型硫化鎘光敏電阻,其光照電阻小於50千歐,暗電阻大於50兆歐。

2、光電二極體

光電二極體的管芯也是一個PN結,只是結面積比普通二極體大,便於接收光線。但和普通二極體不同,光電二極體是在反向電壓下工作的。它的暗電流很小，只有0-1微安左右。在光線照射下產生的電子----空穴對叫光生載流子，它們參加導電會增大反向飽和電流。光生載流子的數量與光強度有關，因此，反向飽和電流會隨著光強的變化而變化，從而可以把光信號的變化轉為電流及電壓的變化。光電二極體主要用於近紅外探測器及光電轉換的自動控制儀器中，還可以作為光導纖維通信的接收器件。

3、光電三極度管

光電三極體的結構與普通三極度管相同,但基區面積較大,便利於接收更多的入射光線。入射光在基區激發出電子----空穴時，形成基極電流，而集電極電流是基極電流β倍，因此光照便能有效地控制集電極電流。光電三極體比光電二極體有更高的靈敏度。

二、光伏打器件----硅光電池

半導體PN結在受到光照射時能產生電動勢的效應，叫光伏打效應。硅光電池就是利用光伏打效應將光能直接換成電能的半導體器件。

硅光電池就是一個大面積PN結。光照可以使薄薄的P型區產生大量的光生載流子。這些光生電子和空穴，會向PN結方向擴散。擴散過程中，一部分電子和空穴複合消失,大部分擴散到PN結邊緣。在結電場的作用下，大部分光生空穴被電場推回P型區而不能穿越PN結；大部分光生電阻卻受到結電場的加速作用穿越PN結，到達N型區。隨著光生電子在N型區的積累及光生空穴在P型號區的積累，會在在PN對的兩側產生一個穩定的電位差，這就是光生電動勢。當光電池兩端接有負載時，將有電流流過負載,起著電池的作用。

硅光電池的用途極度為廣泛。主要用於下述幾個方面：

能源----硅光電池串聯或並聯組成電池組與鎳鎘電池配合、可作為人造成衛星、宇宙飛船、航標燈、無人氣象站等設備的電源；也可做電子手錶、電子計算器、小型號汽車、遊艇等的電源。

光電檢測器件----用作近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光准直、電影還音等設備的光感受器。

光電控制器件----用作光電開關等光電控制設備的轉換器件。

三、半導體發光器件

半導體發光器件是一種將電能轉換成光能的器件。它包括發光二極體、紅外光源、半導體發光數字管等。

1、發光二極體

發光二極體的管芯也是一個PN結,並具有單嚮導電性。PN結加上正向電壓時,電子由N區渡越(擴散)到空間電荷區與空穴複合而釋放出能量。這些能量大部分以發光的形式出現，因此，可以直接將電能轉換成光能。發光二極體的發光顏色(波長)，因半導體材料及摻雜成分不同而不同。常用的有黃、綠、紅等顏色的發光二極體。

發光二極體工作電壓很低(15-3伏),工作電流很小(10-30毫安),耗電極省。可作燈光信號顯示、快速光源,也能同時起整流和發光兩種作用。

2、發光數字管

把磷化鎵發光管或磷化鎵發光管的管芯製成條狀,用七條發光管組成七段式數字顯示管，可以顯示從0到9的十個數字。這種半導體數字顯示管的優點是體積小、耗電省、壽命長、響應速度快。它可以作為各種小型計算器及數字顯示儀錶的數字顯示用。

3、光電耦合器

把半導體發光器件和光敏器件組合封閉裝在一起就組成了具有電---光---電轉換功能的光電耦合器。顯然,給耦合器輸入一個電信號，發光器件就發光,光被光接收器件接收后，又轉換電信號輸出。因為輸入主輸出之間用光進行耦合。所以輸出端對輸入端沒有反饋，具有優良的隔離性能和抗干擾性能。光電耦合器又是光電開關，這種光電開關不存在繼電器中機械點易疲勞的問題，可靠性很高。

感測器技術中很重要的一類稱為光感測器。光感測器通常是指紫外到紅外波長範圍的感測器，其類型可分為量子探測器和熱探測器兩類。本實驗將介紹常用的量子探測器或稱光子探測器，它是利用材料的光電效應製作成的探測器，故也稱為光電轉換器。其主要參數有響應度(靈敏度)、光譜響應範圍、響應時間和可探測的最小輻射功率等。光電轉換器件主要是利用光電效應將光信號轉換成電信號。自光電效應發現至今，光電轉換器件獲得了突飛猛進的發展，目前各種光電轉換器件已廣泛地應用在各行各業。常用的光電效應轉換器件有光敏電阻、光電倍增器、光電池、PIN管、CCD等。

光電倍增器是把微弱的輸入轉換為電子，並使電子獲得倍增的電真空器件。當光信號強度發生變化時，陰極發射的光電子數目相應變化，由於各倍增極的倍增因子基本上保持常數，所以陽極電流亦隨光信號的變化而變化，此即光電倍增管的簡單工作過程。由此可見，光電倍增管的性能主要由光陰極、倍增極及極間電壓決定。光電陰極受強光照射后，由於發射電子的速率很高，光電陰極內部來不及重新補充電子，因此使光電倍增管的靈敏度下降。如果入射光強度太高，導致器件內電流太大，以至於電陰極和倍增極因發射二分解，就會造成光電倍增管的永久性波壞。因此，使用光電倍增管時，應避免強光直接入射。光電倍增管一般用來測弱光信號。光電池是把光能直接變成電能的器件，可作為能源器件使用，如衛星上使用的太陽能電池。它也可作為光電子探測器件。光電二極體有耗盡層光電二極體和雪崩光電二極體兩種。半導體pn結區附近成為耗盡層，該層的兩側是相對高的空間電荷區，而耗盡層內通常情況下並不存在電子和空穴。只有當光照射pn結時才能使耗盡層內產生載流子(電子-空穴對)，載流子被結內電場加速形成光電流。利用該原理製成的光電二極體稱為耗盡層光電二極體。耗盡層光電二極體有pin層、pn層、金屬-半導體型、異質型等 CCD(Charge Coupled Device)即電荷耦合器件，通過輸入面上光電信號逐點的地地、儲存和傳輸，在其輸出端產生一時序信號。隨著科技的進步，CCD技術日臻完善，已廣泛用於安全防範、電視、工業、通信、遠程教育、可視網路電話等領域。

光照射在物質上時，部份的光會被物質吸收，部份的光則經由反射或穿透等方式離開物質，選取太陽光電池材料的第一考量就是吸光效果要很好，如此才能使輸出功率增加。選取太陽光電池材料的第二考量是光導效果，欲選取光導效果佳的材料首先必須了解太陽光的成分及其能量分佈狀況，進而找出適當的物質作為太陽光電池的材料。

隨著傳統燃料能源的減少以及對環境造成的危害也越來越嚴重 ,能源問題日益成為制約國際社會經濟發展的瓶頸，越來越多的國家制定了大力發展太陽能的計劃。例如，美國的“光伏建築計劃”、歐洲的“百萬屋頂光伏計劃” ，日本的“朝日計劃” ，以及我國發展的“光明工程”等都極大地促進了太陽能的發展。當前太陽能電池產品類型主要有單晶硅、多晶硅、非晶硅、化合物半導體和疊層太陽能電池等，主要應用在以下領域。

1、用戶太陽能電源：用於邊遠無電地區，如高原、海島、牧區、邊防哨所等軍民生活用電，如照明、電視、收錄機等；3-5kw家庭屋頂併網發電系統；光伏水泵，解決無電地區的深水井飲用、灌溉；

2、交通領域：如航標燈、交通、鐵路信號燈、交通站、光纜維護站、廣播、通訊、尋呼電源系統、農村微波電話光伏系統、小型通信機、士兵供電等；

3、石油、海洋、氣象領域：石油管道和水庫閘門陰積積極太陽能 電源系統、石油鑽井平台生活及應急電源、海洋檢測設備、氣 象/水文觀測設備等；

4、太陽能制氫加燃料電池的再生髮電系統；海水淡化設備供電；衛星、航天器、空間太陽能電站等。

未來超高效率太陽能電池的發展方向主要有以下幾個方面：

1、多接面、多能隙、多能帶結構，使用不同能隙的材料來吸收不同波長的光子。減少載子能帶內的能量釋放，大幅度提高太陽能電池的效率；

2、一個光子產生多個電子一空穴對，增加輸出的光 電流，從而提高太陽能 電池的效率；

3、熱載子太陽能電池，提高載子溫度能夠大幅度提高太陽能電池的效率；

4、黑體輻射的頻譜轉換，將太陽光改變成理想的光源，減少載子能帶內的能量釋放，提高太陽能電池的效率；

5、新材料如染料感光太陽能電池、聚合物和有機物材料的太陽能電池等；

6、熱光伏特效應，將不能進行光伏效應的太陽能通過晶格振動的多聲子吸收轉化為可以進行光伏效應的光能，從而提高太陽能電池的效率。