光電子電路9光電池

1、光伏技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)：光伏技術(shù)、產(chǎn)業(yè)及市場(chǎng)：光伏技術(shù)可直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能，用此技術(shù)制作的光電池使用光伏技術(shù)可直接將太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為電能，用此技術(shù)制作的光電池使用方便，特別是近年來(lái)微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快方便，特別是近年來(lái)微小型半導(dǎo)體逆變器迅速發(fā)展，促使其應(yīng)用更加快捷。美、日、歐和發(fā)展中國(guó)家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)發(fā)捷。美、日、歐和發(fā)展中國(guó)家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)發(fā)方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)。方向是大幅度提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)。目前已有目前已有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生

2、產(chǎn)能力，年均增長(zhǎng)多個(gè)國(guó)家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力，年均增長(zhǎng)達(dá)達(dá)16，市場(chǎng)開(kāi)拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應(yīng)用，甚至用于驅(qū)動(dòng)交通工具。，市場(chǎng)開(kāi)拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應(yīng)用，甚至用于驅(qū)動(dòng)交通工具。據(jù)報(bào)道，全球發(fā)展、建造太陽(yáng)能住宅（光電池?fù)?jù)報(bào)道，全球發(fā)展、建造太陽(yáng)能住宅（光電池 作屋頂、外墻、窗戶等作屋頂、外墻、窗戶等建材用）投資規(guī)模為建材用）投資規(guī)模為600億美元，而到億美元，而到2005年還會(huì)再翻一倍達(dá)年還會(huì)再翻一倍達(dá)1200億美億美元，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為元，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為21世紀(jì)的新能源。世紀(jì)的新能源。 硅光電池的基體材料為一薄片硅光電池的基體材料為一薄片P型單晶硅型單晶硅

3、,其厚度在其厚度在0.44mm以下以下,在它的在它的表面上利用熱擴(kuò)散法生成一層表面上利用熱擴(kuò)散法生成一層N型受光層型受光層,基體和受光層的交接處形成基體和受光層的交接處形成PN結(jié)結(jié).在在N型層受光層上制作有柵狀負(fù)電極型層受光層上制作有柵狀負(fù)電極,另外在受光面上還均勻覆蓋有抗另外在受光面上還均勻覆蓋有抗反射膜反射膜,它是一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜它是一層很薄的天藍(lán)色一氧化硅膜,可以使電池對(duì)有效入射光的吸可以使電池對(duì)有效入射光的吸收率達(dá)到收率達(dá)到90%以上以上,并使硅光電池的短路電流增加并使硅光電池的短路電流增加25%-30%.硅材料為基體的硅光電池硅材料為基體的硅光電池,可以使用單晶硅、多晶硅、

4、非晶硅來(lái)制造可以使用單晶硅、多晶硅、非晶硅來(lái)制造.單晶單晶硅光電池是目前應(yīng)用最廣的一種硅光電池是目前應(yīng)用最廣的一種,它有它有2CR和和2DR兩種類型兩種類型,其中其中2CR型硅型硅光電池采用光電池采用N型單晶硅制造型單晶硅制造,2DR型硅光電池則采用型硅光電池則采用P型單晶硅制造型單晶硅制造. （一）硅光電池結(jié)構(gòu)和工作原理（一）硅光電池結(jié)構(gòu)和工作原理工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)就結(jié)的光生伏特效應(yīng)。所謂光生伏特效應(yīng)就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流

5、的一種效應(yīng)。如圖電流的一種效應(yīng)。如圖2，太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體，太陽(yáng)光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的空穴結(jié)上，形成新的空穴-電子對(duì)，在電子對(duì)，在p-n結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由結(jié)電場(chǎng)的作用下，空穴由n區(qū)流向區(qū)流向p區(qū)，電子由區(qū)，電子由p區(qū)流向區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)電池的工作原理。區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應(yīng)電池的工作原理。（三）特性參數(shù)（三）特性參數(shù)開(kāi)路電壓開(kāi)路電壓Voc: 在一定光照下，硅光在一定光照下，硅光電池電池兩輸出端開(kāi)路時(shí)，所產(chǎn)生的光兩輸出端開(kāi)路時(shí)，所產(chǎn)生的光電子電子電壓。電壓。短路電流短路電流ISc: 在一定光照下，在一定光照下，硅光電池硅光電池所接負(fù)載

6、所接負(fù)載電阻電阻為零時(shí)，流過(guò)硅為零時(shí)，流過(guò)硅光電池的電流。光電池的電流。暗電流暗電流ID: 在無(wú)光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所產(chǎn)在無(wú)光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所產(chǎn)生的電流。生的電流。反向阻抗反向阻抗R: 在無(wú)光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所呈在無(wú)光照的條件下，在硅光電池兩端施加反向電壓時(shí)所呈現(xiàn)的阻抗。現(xiàn)的阻抗。峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng)o: 響應(yīng)光譜中吸收最大處的波長(zhǎng)。響應(yīng)光譜中吸收最大處的波長(zhǎng)。下限波長(zhǎng)下限波長(zhǎng)1: 響應(yīng)光譜中吸收力最大吸收的響應(yīng)光譜中吸收力最大吸收的50%處所對(duì)應(yīng)的下限波長(zhǎng)。處所對(duì)應(yīng)的下限波長(zhǎng)。上限波長(zhǎng)上限波長(zhǎng)2: 響應(yīng)光譜中吸收為最大吸收的

7、響應(yīng)光譜中吸收為最大吸收的50%處所對(duì)應(yīng)的上限波長(zhǎng)。處所對(duì)應(yīng)的上限波長(zhǎng)。最大反向電壓最大反向電壓VRM: 使用硅光電池時(shí)所允許加的極限反向電壓。使用硅光電池時(shí)所允許加的極限反向電壓。轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率: 硅光電池輸出電能與輸入光能量的比值硅光電池輸出電能與輸入光能量的比值,大晶粒多晶硅光電大晶粒多晶硅光電池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)池的轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)18.6,多晶硅光電池理論計(jì)算表明其效率可在多晶硅光電池理論計(jì)算表明其效率可在28以以上。上。（二）硅藍(lán)光電池（二）硅藍(lán)光電池寬光譜響應(yīng)，它特別適用于工作在寬光譜響應(yīng)，它特別適用于工作在300nm-1000nm光譜范圍的各種光光譜范圍的各種光學(xué)儀器，對(duì)紫藍(lán)光有

8、較高的靈敏度、學(xué)儀器，對(duì)紫藍(lán)光有較高的靈敏度、 器件體積小、性能穩(wěn)定可靠，電器件體積小、性能穩(wěn)定可靠，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，是光電管和硅光電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，是光電管和硅光電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。紫藍(lán)硅光電池紫藍(lán)硅光電池: BPW69-A,BPW34光電池等效電路光電池等效電路 光電池伏安特性曲線光電池伏安特性曲線 ()1dqVIRkTLsIII eIL為光電池等效電路中的恒流源為光電池等效電路中的恒流源Is為光電池等效二極管反向飽和電流為光電池等效二極管反向飽和電流 Rd為光電池等效電路中串聯(lián)電阻，為光電池等效電路中串聯(lián)電阻， Rd很小很小 ，則方程改寫為：，則方程改寫為： (1)q

9、VkTLsIII eLISLssscsLsLocISLqkTIIqkTIIqkTIIqkTVlnlnln) 1ln(電壓、電流隨入射光強(qiáng)度變化特性電壓、電流隨入射光強(qiáng)度變化特性 電壓、電流與受光面積電壓、電流與受光面積A變化特性變化特性 光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性光電池在不同負(fù)載電阻下的光電特性 （2）輸出特性）輸出特性光電池兩端連接某一負(fù)載光電池兩端連接某一負(fù)載RL,其上的電流設(shè)為其上的電流設(shè)為IL，電壓降為，電壓降為VL，則光電，則光電流在流在RL上產(chǎn)生的電功率為：上產(chǎn)生的電功率為： PL = VL IL轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率：電功率與入射光功率之間的比值。：電功率與入射光功率之間的比值。

10、ocLscLVVRIIR時(shí)，當(dāng)時(shí)當(dāng),0RM為功率最大值為功率最大值PM對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻值，稱為最佳負(fù)載。對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻值，稱為最佳負(fù)載。硅光電池：光譜響應(yīng)范圍硅光電池：光譜響應(yīng)范圍 0.4 0.9m 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng) 0.80.9 m硒光電池：光譜響應(yīng)范圍硒光電池：光譜響應(yīng)范圍 0.340.75 m 峰值波長(zhǎng)峰值波長(zhǎng) 0.54 m用兩個(gè)性能相近的硅光電池作光接受器件，當(dāng)入射光通量相同用兩個(gè)性能相近的硅光電池作光接受器件，當(dāng)入射光通量相同時(shí)時(shí)Vo=0，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作。當(dāng)光路系統(tǒng)略有偏差，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作。當(dāng)光路系統(tǒng)略有偏差時(shí)，兩個(gè)硅光電池接收到的光通量發(fā)生變化，此時(shí)時(shí)，兩個(gè)硅光電

11、池接收到的光通量發(fā)生變化，此時(shí)Vo0，這，這一差動(dòng)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大即可帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)一差動(dòng)輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大即可帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如微型電機(jī)例如微型電機(jī))對(duì)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行糾正，直到系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行糾正，直到Vo=0為止，從而達(dá)到跟蹤的目的。為止，從而達(dá)到跟蹤的目的。 光電跟蹤電路光控開(kāi)關(guān)在無(wú)光照時(shí)，在無(wú)光照時(shí)，VT截止截止(或有較小的集電極電流，但不足以使繼電器吸或有較小的集電極電流，但不足以使繼電器吸合合)；當(dāng)硅光電池受光照射后，產(chǎn)生正向電壓使；當(dāng)硅光電池受光照射后，產(chǎn)生正向電壓使VT導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作。導(dǎo)通，繼電器動(dòng)作。 路燈照明自動(dòng)控制電路在白天，硅光電池輸出電壓使在白天，硅光電池輸出電壓使VT1導(dǎo)

12、通，導(dǎo)通，VT2截止，繼電器不吸合截止，繼電器不吸合;天天黑時(shí)，硅光電池輸出電壓漸小，使得黑時(shí)，硅光電池輸出電壓漸小，使得VT1截止，截止，VT2導(dǎo)通，繼電器吸導(dǎo)通，繼電器吸合，照明燈亮。電路中合，照明燈亮。電路中VT2、 VT3組成施密特觸發(fā)器，用來(lái)避免照明組成施密特觸發(fā)器，用來(lái)避免照明燈產(chǎn)生忽明忽暗的抖動(dòng)現(xiàn)象。也可在較寬范圍內(nèi)選擇點(diǎn)亮照明燈的照燈產(chǎn)生忽明忽暗的抖動(dòng)現(xiàn)象。也可在較寬范圍內(nèi)選擇點(diǎn)亮照明燈的照度度(即天黑到什么程度亮燈即天黑到什么程度亮燈)，電容，電容C1起延時(shí)作用起延時(shí)作用(約約5s)，以避免閃電，以避免閃電引起瞬間滅燈現(xiàn)象。引起瞬間滅燈現(xiàn)象。草坪燈電路太陽(yáng)能草坪燈電路。白天有

13、太陽(yáng)光時(shí)，由太陽(yáng)能草坪燈電路。白天有太陽(yáng)光時(shí)，由BT1把光能轉(zhuǎn)換為電能，由把光能轉(zhuǎn)換為電能，由VD1對(duì)對(duì)BT2充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，充電，由于有光照，光敏電阻呈低阻，VQ4 b極為低電平而截止。當(dāng)晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，極為低電平而截止。當(dāng)晚上無(wú)光照時(shí)光敏電阻呈高阻，VQ4導(dǎo)通，導(dǎo)通，VQ2 也導(dǎo)通，由也導(dǎo)通，由VQ3、VQ5、C2、R6、L1組組成的成的DC升壓電路工作，升壓電路工作，LED得電發(fā)光。得電發(fā)光。DC升壓電路其核心就是一個(gè)互補(bǔ)管振蕩電路，其工作過(guò)程為：升壓電路其核心就是一個(gè)互補(bǔ)管振蕩電路，其工作過(guò)程為：VQ2導(dǎo)通時(shí)電源導(dǎo)通時(shí)電源通過(guò)通過(guò)L1、R6、VQ4向向C2

14、充電，由于充電，由于C2兩端電壓不能突變，兩端電壓不能突變，VQ3 b極為高電平，極為高電平，VQ3不導(dǎo)通，隨著不導(dǎo)通，隨著C2的充電其壓降越來(lái)的充電其壓降越來(lái)越高，越高，VQ3 b極電位越來(lái)越低，當(dāng)?shù)椭翗O電位越來(lái)越低，當(dāng)?shù)椭罺Q3導(dǎo)通電壓時(shí)導(dǎo)通電壓時(shí)VQ3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VQ5相繼導(dǎo)通，相繼導(dǎo)通，C2通過(guò)通過(guò)VQ5 ce結(jié)、電源、結(jié)、電源、VQ3 eb結(jié)結(jié)(由于由于VQ2導(dǎo)通，我們假設(shè)其導(dǎo)通，我們假設(shè)其ec結(jié)短路，結(jié)短路，VQ3 e極直接電源正極極直接電源正極)放電。當(dāng)放完電后放電。當(dāng)放完電后VQ3截止，截止，VQ5截止，電源再次向截止，電源再次向C2充電，之后充電，之后VQ3導(dǎo)通，導(dǎo)通，VQ5

15、導(dǎo)通，導(dǎo)通，C2放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，放電，如此反復(fù)，電路形成振蕩，在振蕩過(guò)程中，VQ5導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)導(dǎo)通時(shí)電源經(jīng)L1和和VQ5 ce結(jié)到地，電流經(jīng)結(jié)到地，電流經(jīng)L1儲(chǔ)能，儲(chǔ)能，VQ5截止時(shí)截止時(shí)L1產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，和電源疊加后驅(qū)動(dòng)LED，LED發(fā)光。本可以提高電池電壓直接發(fā)光。本可以提高電池電壓直接驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)LED，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可，以提高效率，但電池電壓提高，相應(yīng)的太陽(yáng)能電池價(jià)格也大幅提高，只要電路元件設(shè)置合適，其效率還是可以接受的。當(dāng)白天充電不夠時(shí)以接受的。當(dāng)白

16、天充電不夠時(shí)(如遇上陰雨天等如遇上陰雨天等)，BT2可能發(fā)生過(guò)放電，這樣會(huì)損壞電池，為此特加可能發(fā)生過(guò)放電，這樣會(huì)損壞電池，為此特加R5構(gòu)成過(guò)放保護(hù)：構(gòu)成過(guò)放保護(hù)：當(dāng)電池電壓降至當(dāng)電池電壓降至2V時(shí)，由于時(shí)，由于R5的分壓使的分壓使VQ4基極電位不足以使基極電位不足以使VQ4導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加導(dǎo)通，從而保護(hù)電池。增加R5會(huì)影響會(huì)影響VQ4的導(dǎo)通深的導(dǎo)通深度。我們可以選用高口值的晶體管來(lái)降低這種影響，這是一個(gè)折衷的辦法。度。我們可以選用高口值的晶體管來(lái)降低這種影響，這是一個(gè)折衷的辦法。元器件元器件選擇：選擇：BT1選用選用3.8V80mA太陽(yáng)能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；太陽(yáng)能電池板，單晶硅為好，多晶硅次之；BT2選用兩節(jié)選用兩節(jié)1.2V600mA Ni-Cd電池，電池，如需要增大發(fā)光度或延長(zhǎng)時(shí)間，可相應(yīng)提高太陽(yáng)能板及電池功率。如需要增大發(fā)光度或延長(zhǎng)時(shí)間，可相應(yīng)提高太陽(yáng)能板及電池功率。VQ2、VQ3、VQ5的的在在200左右，左右，VQ4需需值大的晶值大的晶體管。體