淺談大學(xué)期間接觸到的光電檢測器件1

1、光電檢測技術(shù)-淺談大學(xué)期間接觸到的光電檢測器件隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)作為一門研究光與物質(zhì)相互作用發(fā)展起來的新興學(xué)科，已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個極為重要的組成部分。光電檢測技術(shù)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(diǎn)，令其發(fā)展十分迅速，并推動著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)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(yīng)用。一、 光電池（一）簡介光電池是能在光的照射下產(chǎn)生電動勢的元件。用于光電轉(zhuǎn)換、光電探測及光

2、能利用等方面。人們最早發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的是硒光電池。它的原理是硒在光作用下產(chǎn)生電子被電極收集而產(chǎn)生電動勢。后來又發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用了各種半導(dǎo)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(dǎo)體的p-n結(jié)在光的作用下產(chǎn)生新的電子-空穴對，電子和空穴在p-n結(jié)電場的作用下移動到結(jié)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(zhuǎn)變成電。因此光電池的特點(diǎn)是能夠把地球從太陽輻射中吸收的大量光能轉(zhuǎn)化換成電能。是一種在光的照射下產(chǎn)生電動勢的半導(dǎo)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(zhuǎn)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(yīng)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(dǎo)體pn結(jié)（pn junction）的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽能電池(solar cell)。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)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(diǎn)是較少受地域限制，因?yàn)殛柟馄照沾蟮?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(shè)輸電線路即可就地發(fā)電供電及建設(shè)周期短的優(yōu)點(diǎn)。光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理， 當(dāng)P-N結(jié)受光照時，樣品對光子的本征吸收和非本征吸

4、收都將產(chǎn)生光生載流子。但能引起光伏效應(yīng)的只能是本征吸收所激發(fā)的少數(shù)載流子。因P區(qū)產(chǎn)生的光生空穴，N區(qū)產(chǎn)生的光生電子屬多子，都被勢壘阻擋而不能過結(jié)。只有P區(qū)的光生電子和N區(qū)的光生空穴和結(jié)區(qū)的電子空穴對（少子）擴(kuò)散到結(jié)電場附近時能在內(nèi)建電場作用下漂移過結(jié)。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(nèi)建電場分離。這導(dǎo)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(chǎn)生一個與熱平衡P-N結(jié)的內(nèi)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(fù)。于是有結(jié)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(dǎo)線，接通負(fù)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(lián)、并聯(lián)起來，就能產(chǎn)生一定的電壓和電流，輸出功率。（三）結(jié)構(gòu)光電池是一種特殊的半導(dǎo)體二極管，能將可見光轉(zhuǎn)化為直流電。有的光電池還可以將紅外光和紫外光轉(zhuǎn)化為直流電。光電池是太陽能電力系統(tǒng)內(nèi)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(jīng)被開發(fā)用來作為光電池的材料。有二種基本類型的半導(dǎo)體材料，分別叫做正電型（或P型態(tài)）和負(fù)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(shí)際交界叫做P-N結(jié)。通過這種結(jié)構(gòu)方式，P-N結(jié)暴露于可見光，紅外光或紫外線下，當(dāng)射線照射到P-N結(jié)的時候，在P-N結(jié)的兩側(cè)產(chǎn)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(chǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(shù)年內(nèi)提供能量而不需要花費(fèi)，并且只需要最小的維護(hù)。（四）優(yōu)點(diǎn)光伏發(fā)電設(shè)備極為精煉,可靠穩(wěn)定壽命長、安裝維護(hù)簡便。單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)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(chǎn)效率高，成本低廉，但是轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動部件，體積小、壽命長，工作時無噪聲，而且無須維護(hù)，成為空間電源研發(fā)的熱點(diǎn)，大大刺激了溫差電技術(shù)的發(fā)展。由于半導(dǎo)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(zhuǎn)換的特點(diǎn)，預(yù)示著一場制冷技術(shù)革命的開始，溫差發(fā)電，因?yàn)樵谖覀兊闹車兄嗟摹坝酂帷笨梢岳?，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(qiáng)烈。它的出現(xiàn)使任意相態(tài)的物質(zhì)、任意局部環(huán)境的溫度的智能化、數(shù)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(yīng)，將熱能直接轉(zhuǎn)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(dǎo)體電極連接起來，在其冷端分別連接冷端電極，就構(gòu)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(fù)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(jīng)電路，負(fù)載上將得到電功率I2RL，因而得到了將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電器。2、

9、當(dāng)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(yīng)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(dǎo)傳向冷接頭。排出的熱量應(yīng)為冷接頭放出的珀爾帖熱和從熱接頭傳導(dǎo)來的熱量之和。對于上述接頭的熱平衡，還應(yīng)加上湯姆遜熱和被導(dǎo)體釋放的焦耳熱。設(shè)在系統(tǒng)中所產(chǎn)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(zhuǎn)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(shù)和電導(dǎo)率，降低其熱導(dǎo)率。但是塞

10、貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率都在不同程度上依賴于載流子濃度和遷移率，互相是關(guān)聯(lián)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(shè)備，操作復(fù)雜，成本較高。在實(shí)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(dǎo)率、較高的機(jī)械強(qiáng)度，但是卻降低了電導(dǎo)率。相對而言，區(qū)域熔煉法可制備電導(dǎo)率較高的溫差電材料，但同時也提高了材料的熱導(dǎo)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(jī)械合金法（MA）、粉碎混合燒結(jié)（PIES）法、擠壓法和放電等離子燒結(jié)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(yīng)用領(lǐng)域1、航天方面美國自1961年起在二十多項空間任務(wù)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(zhì)量從2kg到34kg,最高效率已達(dá)6.7%,最高質(zhì)量比功率已達(dá)5.2W/kg, 設(shè)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(jīng)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(yīng)用也日益增多?，F(xiàn)已使用的同位素溫差發(fā)電器功率范圍在幾毫瓦到數(shù)百瓦、上千瓦。主要用于燈塔、航標(biāo)、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(jī)動性高、無聲、質(zhì)量輕、能無人維護(hù)長期運(yùn)行的液體燃料溫差發(fā)電器，供夜視裝置、雷達(dá)、導(dǎo)航設(shè)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(chǎn)的燃

13、氣溫差發(fā)電器已經(jīng)在世界許多國家的輸油、輸氣管線、通訊網(wǎng)絡(luò)上獲得了應(yīng)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?zé)?、海洋熱能等，熱源的溫度范圍寬廣。采用溫差發(fā)電技術(shù)大規(guī)模利用低級熱，可以開發(fā)出結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)少，而且是無公害的干凈能源。很多專家認(rèn)為，溫差發(fā)電器利用這些熱能，可直接產(chǎn)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(shù)領(lǐng)域，極大部分努力都在提高溫差發(fā)電器的熱電轉(zhuǎn)換效率。對空間應(yīng)用來說，非常重要的是提高其重量比功率。提高熱電轉(zhuǎn)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(xiàn)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(shù)。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(zhuǎn)換效率，最終的結(jié)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(jìn)的放射性同位素電源系統(tǒng)和空間核反應(yīng)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(jìn)計劃。計劃目標(biāo)是面對未來火星科學(xué)站網(wǎng)絡(luò)、小型電推進(jìn)器、具有復(fù)雜機(jī)動能力的深空探測小型飛行器等各種空間新任務(wù)，開發(fā)核電源，大大擴(kuò)展人類在行星或月球表