淺談大學期間接觸到的光電檢測器件1

1、光電檢測技術-淺談大學期間接觸到的光電檢測器件隨著現代科學技術以及復雜自動控制系統(tǒng)和信息處理與技術的提高，光電檢測技術作為一門研究光與物質相互作用發(fā)展起來的新興學科，已成為現代信息科學的一個極為重要的組成部分。光電檢測技術具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點，令其發(fā)展十分迅速，并推動著信息科學技術的發(fā)展。它將光學技術與現代電子技術相結合，廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、家庭、醫(yī)學、軍事和空間科學技術等領域。本文舉例介紹說明光電池及溫差發(fā)電器兩種器件的原理與應用。一、 光電池（一）簡介光電池是能在光的照射下產生電動勢的元件。用于光電轉換、光電探測及光

2、能利用等方面。人們最早發(fā)現和應用的是硒光電池。它的原理是硒在光作用下產生電子被電極收集而產生電動勢。后來又發(fā)現和應用了各種半導體材料的光電池，如硅光電池、硫化銀電池等。它的原理是半導體的p-n結在光的作用下產生新的電子-空穴對，電子和空穴在p-n結電場的作用下移動到結的兩邊形成附加電勢差。（二）原理光電池也叫太陽能電池，直接把太陽光轉變成電。因此光電池的特點是能夠把地球從太陽輻射中吸收的大量光能轉化換成電能。是一種在光的照射下產生電動勢的半導體元件。光電池的種類很多，常用有硒光電池、硅光電池和硫化鉈、硫化銀光電池等。主要用于儀表，自動化遙測和遙控方面。有的光電池可以直接把太陽能轉變?yōu)殡娔?，這種

3、光電池又叫太陽能電池。太陽能電池作為能源廣泛應用在人造地球衛(wèi)星、燈塔、無人氣象站等處。光伏發(fā)電是利用半導體pn結（pn junction）的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池(solar cell)。太陽能電池經過串聯后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電的優(yōu)點是較少受地域限制，因為陽光普照大地;光伏系統(tǒng)還具有安全可靠、無噪聲、低污染、無需消耗燃料和架設輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設周期短的優(yōu)點。光伏發(fā)電是根據光生伏特效應原理， 當P-N結受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸

4、收都將產生光生載流子。但能引起光伏效應的只能是本征吸收所激發(fā)的少數載流子。因P區(qū)產生的光生空穴，N區(qū)產生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結區(qū)的電子空穴對（少子）擴散到結電場附近時能在內建電場作用下漂移過結。光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，即電子空穴對被內建電場分離。這導致在N區(qū)邊界附近有光生電子積累，在P區(qū)邊界附近有光生空穴積累。它們產生一個與熱平衡P-N結的內建電場方向相反的光生電場，其方向由P區(qū)指向N區(qū)。此電場使勢壘降低，其減小量即光生電勢差，P端正，N端負。于是有結電流由P區(qū)流向N區(qū)，其方向與光電流相反。如果這時分別在P型層和N型層焊

5、上金屬導線，接通負載，則外電路便有電流通過，如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、并聯起來，就能產生一定的電壓和電流，輸出功率。（三）結構光電池是一種特殊的半導體二極管，能將可見光轉化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉化為直流電。光電池是太陽能電力系統(tǒng)內部的一個組成部分，太陽能電力系統(tǒng)在替代電力能源方面正有著越來越重要的地位。最早的光電池是用摻雜的氧化硅來制作的，摻雜的目的是為了影響電子或空穴的行為。其它的材料，例如CIS，CdTe和GaAs，也已經被開發(fā)用來作為光電池的材料。有二種基本類型的半導體材料，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負電型（或N型態(tài)）。在一個PV電池中，這些材料的薄片

6、被一起放置，而且他們之間的實際交界叫做P-N結。通過這種結構方式，P-N結暴露于可見光，紅外光或紫外線下，當射線照射到P-N結的時候，在P-N結的兩側產生電壓，這樣連接到P型材料和N型材料上的電極之間就會有電流通過。 一套PV電池能被一起連接形成太陽的模組，行列或面板。用來產生可用電能的PV電池就是光電伏特計。光電伏特計的主要優(yōu)點之一是沒有污染，只需要裝置和陽光就可工作。另外的一個優(yōu)點是太陽能是無限的。一旦光電伏特計系統(tǒng)被安裝，它能提供在數年內提供能量而不需要花費，并且只需要最小的維護。（四）優(yōu)點光伏發(fā)電設備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護簡便。單晶硅電池具有電池轉換效率高，穩(wěn)定性好，但是成

7、本較高；非晶硅太陽電池則具有生產效率高，成本低廉，但是轉換效率較低，而且效率衰減得比較厲害；鑄造多晶硅太陽能電池則具有穩(wěn)定得轉換的效率，而且性能價格比最高；薄膜晶體硅太陽能電池則還只能處在研發(fā)階段。二、 溫差發(fā)電器（一）簡介溫差發(fā)電器，是一種靜態(tài)的固體器件，沒有轉動部件，體積小、壽命長，工作時無噪聲，而且無須維護，成為空間電源研發(fā)的熱點，大大刺激了溫差電技術的發(fā)展。由于半導體的溫差電動勢較大因此大都用它來制作溫差發(fā)電器，它是一種新型的電子器件，無噪音、無污染、能量可高效轉換的特點，預示著一場制冷技術革命的開始，溫差發(fā)電，因為在我們的周圍有著太多的“余熱”可以利用，廢汽熱、廢水熱、廢火熱、太陽熱

8、等等；在能源日益緊張的今天，我們溫差發(fā)電的愿望更加強烈。它的出現使任意相態(tài)的物質、任意局部環(huán)境的溫度的智能化、數字化、程序化控制，成為可能。想冷，即冷；想熱，即熱。溫度的控制，對于我們隨心所欲。（二）原理1、溫差發(fā)電器是利用塞貝克效應，將熱能直接轉換成電能的一種發(fā)電器件。將一個p型溫差電元件和一個n型溫差電元件在熱端用金屬導體電極連接起來，在其冷端分別連接冷端電極，就構成一個溫差電單體或單偶。在溫差電單體開路端接入電阻為RL的外負載，如果溫差電單體的熱面輸入熱流，在溫差電單體熱端和冷端之間建立了溫差，則將會有電流流經電路，負載上將得到電功率I2RL，因而得到了將熱能直接轉換為電能的發(fā)電器。2、

9、當發(fā)電器工作時，為保持熱接頭和冷接頭之間有一定的溫度差，應不斷地對熱接頭供熱，而從冷接頭不斷排熱。熱接頭所供給的部分熱量被作為珀爾帖熱吸收了，另一部分則通過熱傳導傳向冷接頭。排出的熱量應為冷接頭放出的珀爾帖熱和從熱接頭傳導來的熱量之和。對于上述接頭的熱平衡，還應加上湯姆遜熱和被導體釋放的焦耳熱。設在系統(tǒng)中所產生的焦耳熱I2Ri中有一半傳到熱端，另一半由冷端放出，熱源所消耗的熱量是珀爾帖熱Ph、由于熱傳遞遷移到冷端的熱PT和交還給熱源的焦耳熱 三部分組成， 即為溫差電單體的熱電轉換效率是有用功率與熱源所消耗的熱量之比。要想得到優(yōu)值高的溫差電材料，只有提高其塞貝克系數和電導率，降低其熱導率。但是塞

10、貝克系數、電導率和熱導率都在不同程度上依賴于載流子濃度和遷移率，互相是關聯的。（三）制備工藝溫差電材料原則上可用通常的單晶體生長工藝來制備。但單晶體工藝需要精密的設備，操作復雜，成本較高。在實踐中溫差電材料往往采用多晶或定向多晶材料。通常，制備溫差電材料的方法是粉末冶金法以及區(qū)域熔煉法。用粉末冶金法制備的溫差電材料往往具有較低的熱導率、較高的機械強度，但是卻降低了電導率。相對而言，區(qū)域熔煉法可制備電導率較高的溫差電材料，但同時也提高了材料的熱導率。粉末冶金工藝，常規(guī)的有冷壓法和熱壓法，近年來又發(fā)展了機械合金法（MA）、粉碎混合燒結（PIES）法、擠壓法和放電等離子燒結法（SPS法）。通常，Pb

11、Te及SiGe合金用粉末冶金工藝制備，Bi2Te3及其合金用區(qū)域熔煉法，也可用熱壓工藝或擠壓工藝制備。下面僅介紹粉末冶金法和區(qū)融熔煉法制備溫差電材料的工藝。（四）應用領域1、航天方面美國自1961年起在二十多項空間任務中使用同位素溫差發(fā)電器做電源。這些同位素溫差發(fā)電器的輸出電功率從2.7W到300W,質量從2kg到34kg,最高效率已達6.7%,最高質量比功率已達5.2W/kg, 設計壽命為5年。例如著名的阿波羅登月計劃、飛向外層行星的旅游者、海盜號火星著陸器、伽利略飛船等都使用了同位素溫差發(fā)電器。1997年10月，美國成功地發(fā)射了探測土星的卡西尼行星際飛船，有3個同位素溫差發(fā)電器作電源。20

12、06年1月，發(fā)射了探測冥王星的新視野號飛船，用1個RTG作電源。目前, 這些同位素溫差發(fā)電器的使用壽命都超過19年，有的已經工作30多年。2、日常方面同位素溫差發(fā)電器在地面和海洋開發(fā)中應用也日益增多?，F已使用的同位素溫差發(fā)電器功率范圍在幾毫瓦到數百瓦、上千瓦。主要用于燈塔、航標、海底聲納、海底微波中繼站、自動氣象站和地震測試站電源。3、軍事方面美軍研制了前沿陣地使用的機動性高、無聲、質量輕、能無人維護長期運行的液體燃料溫差發(fā)電器，供夜視裝置、雷達、導航設備、電臺和指揮系統(tǒng)使用。這種發(fā)電器可使用柴油、汽油等多種液體燃料，功率從幾十瓦到一千瓦，可便攜或可作車載輔助電源。加拿大環(huán)球溫差電公司生產的燃

13、氣溫差發(fā)電器已經在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網絡上獲得了應用。4、環(huán)保方面在低級熱利用方面，溫差發(fā)電器也很有前途。低級熱，包括工業(yè)廢熱、垃圾燃燒熱、汽車排氣管的余熱、太陽熱、地熱、海洋熱能等，熱源的溫度范圍寬廣。采用溫差發(fā)電技術大規(guī)模利用低級熱，可以開發(fā)出結構簡單、維護少，而且是無公害的干凈能源。很多專家認為，溫差發(fā)電器利用這些熱能，可直接產生低壓大電流，如用于電解水制氫，是最好的低峰儲能方式之一。(五)發(fā)展趨勢1、溫差電技術領域，極大部分努力都在提高溫差發(fā)電器的熱電轉換效率。對空間應用來說，非常重要的是提高其重量比功率。提高熱電轉換效率最主要的途徑是提高溫差電材料的優(yōu)值。具體來說就是改善現有溫差電材料的熱電性能、研究新型溫差電材料、開發(fā)功能梯度溫差電材料，以及降低溫差電材料的維數。2、提高溫差電材料的優(yōu)值，增加了溫差發(fā)電器的熱電轉換效率，最終的結果，降低了溫差發(fā)電器的成本（特別是RTG的成本），改善了溫差發(fā)電器的重量比功率。美國航天局（NASA）制定了空間核創(chuàng)新計劃，開發(fā)先進的放射性同位素電源系統(tǒng)和空間核反應堆電源系統(tǒng)。后來該計劃更名為普魯米修斯核電源和推進計劃。計劃目標是面對未來火星科學站網絡、小型電推進器、具有復雜機動能力的深空探測小型飛行器等各種空間新任務，開發(fā)核電源，大大擴展人類在行星或月球表