光电池的应用与新技术

摘 要： 光电池是一种直接将光能转换成电能的光伏器件或称换能器件，也是一种将变化的光信号直接转换成相应变化的电信号的光电转换器件。本文主要介绍了光电池的主要应用电路和工作原理。

关键词： 光电池 PN结 应用

随着科技日新月异地发展，光电池在人们的生产生活中产生了越来越重要的作用。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，也称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，是发电式有源元件。

1.光电池概述

1.1光电池的分类

光电池按照材料分为：硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合，主要应用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面。

1.2硅光电池的工作原理

硅光电池是目前的主要研究方向。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。当足够的光照到PN结区时，将在结区附近激发出电子―空穴对，在N区和P区之间出现电位差。电路中有电流流过，电流的方向由P区流至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

2.光电池的应用

光电池主要有两方面的应用：（一）太阳能电池，光伏作用直接将太阳能转换成电能，太阳能电池目前在航空、通信、太阳能发电站等方面得到应用。例如现在普遍使用的太阳能热水器，正是利用太阳能，把太阳能装换成电能而加热水。随着太阳能电池技术的不断发展，其成本会逐渐下降，在生产生活各领域将发挥越来越大的作用。（二）光电转换器件，要求光电池具有灵敏度高、响应时间短的特点，有特殊的制造工艺，用于光电检测和自动控制系统中。

2.1太阳能电池电源

2.1.1太阳能电池的发电方式

太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。太阳能发电有两种方式，一种是光―热―电转换方式，另一种是光―电直接转换方式。光―热―电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光―热转换过程；后一个过程是热―电转换过程。光―电直接转换方式，该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光―电转换的基本装置就是太阳能电池。

2.1.2太阳电池电源系统框图

太阳能电池电源系统

2.2光电池在光电检测和自动控制方面的应用

2.2.1光电池在光电检测和自动控制的工作原理

光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同：当光不照射时，光电池处于截止状态；受光照射时，PN结吸收其能量而产生电子―空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，并形成了光电流。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低，它已广泛地用于光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视等方面。

2.2.2光电池的三种基本应用电路

2.2.2.1光电池构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。电路图如下：

2.2.2.2光电开关多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。电路图如下：

2.2.2.3光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其他电子线路的组合可实现或自动控制的目的。电路图如下：

参考文献：

［1］靳瑞敏.太阳能电池生产配方技术、太阳能蓄电池生产制造工艺及原理.北京大学出版社，2011.12.20.

［2］郑家恒.智能信息处理.科学出版社，2010.10.1.