光电转换原理.docx
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光电转换原理
光纤系统光接收部分光电转换原理
光接收机是光纤通信系统的重要组成部分，其作用是将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。
图431-8给出了数字光接收机的组成框图。
1.光检测器
光电检测器是光接收机的第一个关键部件，其作用是将由光纤传送来的光信号转换成电信号。
光电检测器主要有PIN光电二极管和雪崩光电二极管APD两种。
PIN管使用简单，只需10~20V的反向偏压，但
PIN管没有增益。
APD管具有10~200倍的增益，可以提高光接收机的灵敏度，但需要几十伏以上的偏压，增益特性受温度的影响较严重
2、前臵放大器
经光电检测器检测到的微弱的信号电流，流经负载电阻建立起信号电压后，由前臵放大器进行预放大。
除光电检测器性能优劣影响光接收机的灵敏度之外，前臵放大器对光接收机的灵敏度有十分重要的影响。
为此，前臵放大器必须是低噪声、宽频带的放大器。
3•主放大器
主放大器用来提供高的增益，将前臵放大器的输出信号放大到适合判决电路所需的电平。
前臵放大器的输出信号电平一般为mV量级，而主放大器的输出信号电平一般为1~3V。
4、均衡器
光在光纤中传输时，由于将受到色散的影响，信号将发生畸变与展宽，使码元间相互影响，出现误码。
均衡器的作用是对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波
5、判决再生与定时提取
判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，当在判决时刻输出的电压信号比判决电平高，贝U判断为“1”码，否则判断为“0”码。
这样，可在判决再生电路的输出端得到一个和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致由矩形脉冲组成的数字脉冲序列。
为了精确地确定“判决时刻”，就需要从信号码流中提取准确的定时信息用来标定，以保证和发送端一致。
这个工作由“定时提取”电路来完成。
6、峰值检波器与AGC放大器
将由升余弦波组成的数字脉冲信号取出一部分送到峰值检波器进行检波，检波后的直流信号再送到
AGC放大器进行比较放大，产生一个AGC电压。
用该电压一方面去控制光电检测器（APD管）的反向
偏臵电压，另一方面送到主放大器去调整主放大器的工作点，以控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。
一、时分复用系统
时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是将不同信道的信号在时间上交
二、波分复用系统
单模光纤具有非常宽的带宽。
在1.3呵（1.25~1.35呵）波段和1.55呵（1.50~1.60口）波段，都具有高达100nm的低损耗传输范围。
另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm,因此，在一根
单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。
波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing,WDM）
技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。
图432-2为一单向传输的WDM系统原理框图。
n个光发送机发送出由不同波长入1，入2,…入n承载的
光信号，通过光复用器耦合到同一根单模光纤中，经过光纤传输到达接收端后，由解复用器将不同波长信号在空间上分开，分别进入各自的光接收机。
对于长途通信，还需在传输光纤中加入中继器或光放大器，
以补偿光信号的损耗。
随着1.55pm波段掺铒光纤放大器（EDFA）的商用化，可以利用EDFA对传送的光信号进行放大，实现超长距离无电再生中继传输，WDM系统得到了极其广泛的应用。
在1.55pm波段传送多路信道信号，这些
信道波长间隔非常窄，且共享一个EDFA，将这种信道密集的WDM系统称为密集波分复用（Dense
WavelengthDivisionMultiplexing,DWDM）系统。
1.复用器/解复用器
波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。
这里介绍闪
烁光栅波分复用器。
闪烁光栅是在玻璃衬底上沉积环氧树脂，然后在环氧树脂上制造光栅线。
如图432-3所示，当不同波长的
入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。
2、光放大器
在长途DWDM系统中，需要对光信号进行中继放大。
如果采用光电混合中继方式的话，则首先要对光
信号进行解复用，然后对每一信道进行中继再生，再将各信道光信号复用到传输光纤中。
这样，将需要大量的中继设备，系统成本非常高。
宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用，
目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器（ErDopedFiberAmplifier，EDFA）
铒是一种稀土元素，在制造光纤的过程中，向纤芯中掺入三价铒离子（Er+3），便形成了掺铒光纤。
EDFA主要由掺铒光纤（EDF）、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图432-4所示。
影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法
太阳能电池的制程，太阳能
【摘要】：
影响天阳能电池转换效率的因素，主要可规划为制作电池的材料,电池的表面处理以及太阳光板的角度处理。
【关键字】：
太阳能电池转换效率材料制程表面处理太阳光板角度。
影响太阳能电池转换效率的主要原因与改善方法
1•材料
1.1厚度
半导体芯片受光过程中，带正电的电洞往p型区移动，带负电的电子往N型区移动；受光后，电池若接
有负载，则负电子由N区负电极流出负电再由P区正电极流入形成一太阳能电池。
（图一）
N區負電極導線
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p區正電極萼線~
图一（受光后的太阳能电池）
依据此原理我们可以知道，太阳能电池愈薄，电子、电洞的移动路径愈短。
2.制程
2.1电池与接线的电阻
电池与接线间的电阻对太阳能电池转换效率的高低影响十分显著。
尤其太阳能电池模块是由多个电池串
联而成，因此接点电阻影响甚巨。
（表一）表一、硅晶电池之光电转换效率（资料来源：
太阳光电实验室：
http:
//diau08.ac.nctu.edu.tw）
电池元件光电转换效率
电池模块光电转换效率
（一）单晶硅
24-30%
10-15%
（二）多晶硅
18-21%
9-12%
（三）非晶硅薄膜
13%
7%
因此，可在采用模块设计时改进横向布线及电池极板等布线结构，以降低电阻。
并透过缩小电池单元间隔、加大电池单元的排列密度，提高模块的转换效率。
此外，也可将金属电极埋入基板中，以减少串联电阻。
（图二）
图二（图片来源：
益通光能）（注五）
22串叠型电池
将太阳电池制成串叠型电池（tandemcell）。
把两个或两个以上的元件堆栈起来，能够吸收较高能量光谱的电池放在上层，吸收较低能量光谱的电池
放在下层，透过不同材料的电池将光子的能量层层吸收，减少光能的浪费并获得比原来更多的光能。
3.表面处理（影响可用之阳光量）
3.1抗反射层
在太阳能电池的表面，会镀上一层抗反射层，主要的作用在于让太阳能吸收的过程当中，仅少量的反射造成光能流失。
抗反射层做得越好，所能运用的光能自然更多，这也是太阳能电池的制造关键。
抗反射膜的意思就是在基板上镀上一层比基板低折射率的材质，太阳能电池所采用的抗反射膜材质不尽
相同，如果能发展出最适合的材质，在太阳能电池转换效率的提升上必是一大进步。
3.2表面粗化处理
将表面制成金字塔型的组织（PyramidTexture）结构，可增加表面积，吸收更多太阳光。
3.3电极形状
将不透光的金属电极作成手指状（finger）（图三）或是网状，经过层层反射，可使大部分的入射阳光都能进
入半导体材料中。
till
图三（图片来源：
益通光能）
4.太阳光版角度
4.1固定式太阳能光电版
不当的装设太阳能光电板会让光电板的日照效益事倍功半，由于所处纬度的不同，太阳照射角度不同,因此太阳能光电板的架设角度也会影响到光电板吸收阳光的效益。
23.5
若是处于赤道上，光电板须平放在水平面上的日照效益最高，而台湾位于北回归线上，纬度为北纬度。
加上白天太阳由东方升起后，行进的轨道会在台湾的南方，所以架设太阳能光电板将板面朝南并将仰角设定为23.5度，将可以得到最大的日照效益。
另外要注意的是，在架设太阳光电板的场地周围，须避免建筑物、植物或其他可能会遮蔽太阳光照射太阳能光电板的遮蔽物，以利太阳能光电板可以完全接收太阳光达到最大的发电效益。
4.2转动式太阳能光电版太阳日出日落，太阳能光电板在一天中每个时段所能接收的最大太阳光因而不同，无法保持在最大值，因此有人设计出随着太阳的方向、角度而转动的太阳能光电版，比固定式太阳能光电板更能接收最多的太阳光，达到最大的发电效益。
二、实例
1.表面结构组织化与抗反射层德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化，制成倒金字塔结构。
并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合。
在电镀过程中增加栅极的宽度和高度的比率，制得的电池转化效率超过23%，最大值可达23．3％。
2.奈米技术与太阳能电池结合
2004年新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室研究人员利用奈米技术对太阳能板的线性效率产生了一项重大突破，入射能量转换成电力的高水平从32%提升到60%。
传统太阳能电池吸收光子，每一光子被分开进入到电子及质子，所剩余的振动能量会生成热。
洛斯阿拉莫斯所发展的太阳电池是用铅-硒奈米晶体做成，具有特殊的效应，称为撞击游离化（impactionization），照
射到电池上的每一个光子会生成两个或三个电子
3.非晶硅钝化技术和n型沉底
HIT电池技术主要为日本三洋公司所有，通过充分利用非晶硅钝化技术和n型沉底的优越性，其HIT电池
商业转换效率可以达到19.5%。
4.全背电极
澳大利亚SunPower公司利用全背电极提高电池正面光利用率，其位于菲律宾的生产线商业化电池转换效率已达到19.9%。
5.深槽电极深槽电极电池也是为了增加吸收光的表面积而设计，在此方面新南威尔士大学和北京太阳能研究所的转
换效率分别为19.8%和18.6%。
6.香港汇丰银行--太阳自动追踪方式采光装臵
将信息处里完毕交由CRT显示并计算出导光版需要的角度，再将该因应的动作透过传送控制传回智慧末端处里后，由采光装臵控制器具发出动作调整角度以让阳光透过导光版被折射进入室内控制型态。
（资料来源：
:
ShopiaandStefanBerhling,2000Solarpower:
Theevolution
ofsustainableArchitecture.Munich:
Prestel）
三、讨论
1太阳能电池转换效率表（自制）（单位：
%）
理论极限效率
实验室最咼效率
产量最咼效率
产量最咼效率
（模块）
单晶硅
29
24.7
17-18
15-17
多晶硅
24
20.3
16-17
14-16
由表中数据可以看出，不论是单晶硅或多晶硅，在量产的效率上都还有相当幅度的进步空间。
2
2.1薄型加工
目前世界各大厂商皆致力于减低太阳能电池的厚度，如夏普在1997年所产出的太阳能电池模块的厚度
约为380g，到了2005年就能将Cell的厚度减少到180呵，将来夏普期望降低到100g。
虽然厚度对转换效率的影响是相对小的，然而重要的是，太阳能电池的厚度越小，成本的消耗越少，也意味着太阳能电池模块的成本能够下降，同样的硅材所能产生的太阳能电池增加。
2.2串叠型电池
串叠型电池把不同能硅的材料组合在一起，提高可吸收的光能，此外，由于非晶硅的能隙为1.7eV，材
料本身对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，限制了非晶硅太阳能电池的转换效率，使用串叠型太阳能电池也能解决此一问题。
2.3表面处理
尝试各种表面处理无非是为了将反射逸失的太阳光能减到最低，许多方法业界也以行之有年，若结合串叠型电池，不仅增加适合的能隙范围，更能减缓光致衰退S—W效应。
结论
要判别一个太阳电池性能的好坏，最重要的就是转换效率，目前实验室所制
造出的太阳电池，其转换效率几乎可以达到最佳的水平，只可惜他们的制造过程多半过于复杂，量产不易；且实验室是在最佳条件之下制造太阳电池，实际量产则须考量许多不可抗拒因素。
而要如何制造才能提升太阳电池的转换效率，一直是学术界努力的目标。
主要的做法有：
减少太阳能电
池的厚度、降低电池与接线的电阻以提高模块的转换效率、将太阳电池制成串叠型电池（tandemcell）、抗反
射层技术的提升、电池外型的改变（如表面粗化处理、电极形状）以增加阳光入射量、太阳光版的角度调整等。
然而，在研究过程中发现，许多影响太阳能电池转换效率的因素与改善方法中，理论和实际运用上会有不小的冲突（如：
太阳能电池的薄度在制造上的困难），所以不难看出，在太阳能电池效率的提升上仍须仰赖更
密切的产学合作，商讨能够达到最佳经济效益，并且有效提升太阳能电池转换效率的方法。
一禁带亮度
VOC随Eg的增大而增大，但另一方面，JSC随Eg的增大而减小。
结果是可期望在某一个确定的Eg随处出现太阳电池效率的峰值
二、温度
随温度的增加，效率n下降。
I-SC对温度T很敏感，温度还对VOC起主要作用。
对于Si,温度每增加1°C，VOC下降室温值的0.4%，h也因而降低约同样的百分数。
例如，一个硅电池
在20°C时的效率为20%，当温度升到120°C时，效率仅为12％。
又如GaAs电池，温度每升高1°C，VOC降低1.7mv或降低0.2%。
三、复合寿命
希望载流子的复合寿命越长越好，这主要是因为这样做ISC大。
在间接带隙半导体材料如Si中，离结100mm处也产生相当多的载流子，所以希望它们的寿命能大于1ms。
在直接带隙材料，如GaAs或Gu2S中，只
要10ns的复合寿命就已足够长了。
长寿命也会减小暗电流并增大VOC。
达到长寿命的关键是在材料制备和电池的生产过程中,要避免形成复合中心。
在加工过程中,适当而且经常进行工艺处理,可以使复合中心移走,因而延长寿命。
4光强将太阳光聚焦于太阳电池,可使一个小小的太阳电池产生出大量的电能。
设想光强被浓缩了X倍,单位电
池面积的输入功率和JSC都将增加X倍,同时VOC也随着增加（kT/q）lnX倍。
因而输出功率的增加将大大超过X倍,而且聚光的结果也使转换效率提高了。
5掺杂浓度及剖面分布
对VOC有明显的影响的另一因素是掺杂浓度。
虽然Nd和Na出现在Voc定义的对数项中,它们的数量级也是很容易改变的。
掺杂浓度愈高,Voc愈高。
一种称为重掺杂效应的现象近年来已引起较多的关注,在高掺杂浓度下,由于能带结构变形及电子统计规律的变化,所有方程中的Nd和Na都应以（Nd）eff
和（Na）eff代替。
既然（Nd）eff和（Na）eff显现出峰值,那么用很高的Nd和Na不会再有好处,特别是在高掺杂浓度下寿命还会减小。
目前，在Si太阳电池中，掺杂浓度大约为1016cm-3，在直接带隙材料制做的太阳电池中约为1017cm-3，
为了减小串联电阻,前扩散区的掺杂浓度经常高于1019cm-3,因此重掺杂效应在扩散区是较为重要的。
当Nd和Na或（Nd）eff和（Na）eff不均匀且朝着结的方向降低时，就会建立起一个电场，其方向能有助于光生载流子的收集，因而也改善了ISC。
这种不均匀掺杂的剖面分布，在电池基区中通常是做不到的；而在扩散区中是很自然的。
6表面复合速率
低的表面复合速率有助于提高ISC，并由于I0的减小而使VOC改善。
7串联电阻
在任何一个实际的太阳电池中,都存在着串联电阻,其来源可以是引线、金属接触栅或电池体电阻。
不过通常情况下,串联电阻主要来自薄扩散层。
PN结收集的电流必须经过表面薄层再流入最靠近的金属导
线，这就是一条存在电阻的路线，显然通过金属线的密布可以使串联电阻减小。
一定的串联电阻RS的影响
是改变I－V曲线的位臵
8金属栅和光反射
在前表面上的金属栅线不能透过阳光。
为了使ISC最大，金属栅占有的面积应最小。
为了使RS小，一
般是使金属栅做成又密又细的形状。
因为有太阳光反射的存在，不是全部光线都能进入Si中。
裸Si表面的反射率约为40%。
使用减反射膜可降
低反射率。
对于垂直地投射到电池上的单波长的光，用一种厚为1/4波长、折射率等于（n为Si的折射
率）的涂层能使反射率降为零。
对太阳光,采用多层涂层能得到更好的效果太阳能电池原理如图：
其工作原理核心是广生伏特效应,即光照射到半导体表面,其结构就是一个较大的PN结,其工作原理核心是广生伏特效应，即光照射到半导体表面，由于内建电厂的作用半导体内部产生电动势，若在其外部构成适当回路就可产生电流，由于内建电厂的作用半导体内部产生电动势，若在其外部构成适当回路就可产生电流，即光生电流。
随着化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度不断提高,寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切太阳能作为一种可再生清洁能源,并可持续利用,因此有着广阔的应用前景,光伏发电技术也越来越
受到人们的关注为了能使光伏产品得到普及,进一步提高效率、降低成本是光电池的发展趋势。
提高太阳能
电池转换效率,降低成本,关键是提高太阳能的利用率,而聚光太阳能电池能有效提高电池转换效率和降低成本,其中聚光器的设计和跟踪技术是该类电池在研究中要解决的关键技术。
本文在详细介绍太阳能电池工作原理、基本结构及主要特性的基础上,研究和设计了电池聚光系统中的聚光器。
具体内容如下:
（1）研研究了提高太阳能电池转换效率的主要技术,如减反射损失技术，减少载流子损失技术和减少光
透射损失技术等。
（2）研究了几种典型装臵使太阳光入射保持最佳研角度
关键词太阳能电池提高效率
引言
商业化晶体硅太阳能电池的效率一般在14%—17%由于电池效率队、对每个生产阶段的成本都有影
响，所以应该把较多的精力放在提高太阳能电池转化效率上，近段时间全球的目标期望能将单晶硅的太阳能电池转化效率提高到18%—20%，多晶硅的转化效率提高到16%—18%。
但由于太阳能电池牵扯到电
池本身和太阳光两方面因素，所以要想提高其效率也得从这两面考虑。
从太阳能电池本身考虑。
从太阳能电池本身考虑从实验室取得的成果分析能够提高太阳能电池转化效率的电池应该具备以下特征
（1）前表面织构化）做法：
1缺陷腐蚀；2反应离子腐蚀；3机械结构化.作用：
1使光学反射从大于35%到10%；2使斜角的光线耦合到电池中，使得光线经背面反射后不从前表面溢出。
（2）最优化的发射区表面浓度和掺杂曲线）做法：
1采用选择性发射区；2自排列等离子背刻蚀发
射区作用：
使表面损失减少，增加发射区收集效率。
（3）前表面钝化做法：
1激光刻槽埋栅金属化；2丝网印刷工艺作用：
减少遮挡和串联电阻的损失
（4）细栅前电极
（5）前电极钝化：
a点接触；b接触下面较深的重掺杂发射区；cMIS接触
（6）基区较薄
（7）背面场）背面钝化：
a氧化物或氮化物钝化+局部BSF；b浮动结构背电极钝化：
a点接触；b接触下面较深的背面扩散做法：
在557C下铝和硅形成共融金属。
作用：
形成杂质接收器，有除杂的
效果。
（8）背反射器）
（9）背面织构化）
（10）减反射涂层最佳化）做法：
1生成一层热氧化膜；2蒸发ZnS和MgF2生成双层减反涂层。
作用：
减少表面复合.
（11）改进衬底质量）做法：
1磷扩散吸杂；2铝处理吸杂；3氧化硅的体钝化。
作用：
延长电池寿命，降低成本。
从太阳光方面考虑太阳光方面考虑
（1）光感度特性
由于太阳能电池寿光后才产生能量与电子的振动值有关，即与光的波长有关波长太长的光不能进行能
量转换，太短只能转换为热能，因此太阳能电池的光伏变换与光波长存在一个感度特性。
实验证明理想
材料对波长为0.5到1um之间的光感度最强。
所以在进行光电转化时，尽可能满足其感光度最好的条件。
（2）太阳光入射角度
光电强度与光入射时与电池板表面的夹角也有关系，当其夹角越接近直角时，光电转换效率较好，所以应该设计一种装臵使太阳能电池板能时刻与太阳光保持最佳入射角度。
装臵1:
压差式太阳跟踪器采光板南北放臵，其倾角可按不同季节通过手动调节。
为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。
当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差。
当压差达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为0.IMPa的自来水
作为跟踪动力（若无自来水，可装一只容积为2kg的压力水箱）-来带动采光板跟踪太阳。
当采光
板对准太阳时，管内压力平衡。
压差执行器又发出停止跟踪信号。
其主要的优点是结构比较简单、制作费用低、跟踪器的跟踪灵敏度高。
这种跟踪器在实际中应用范围很广，每天当太阳刚升起3—5rain
后，采光板即跟踪对准太阳，但是存在机构刚度低、工作空间受限制的缺点，而且一般只用于单轴跟踪。
另外，不能完成自动对太阳往返于南北回归线之间的运动跟踪，只能每隔一段时间重新对准阳光。
因此，
跟踪精度特别低，尚需要人为干涉，无法达到自动跟踪太阳。
装臵2装臵2：
控放式太阳跟踪器控放式
自动跟踪装臵对太阳方位角进行单向跟踪，操作时，在集热装臵西侧安放一偏重，作为太阳采光板向西转
动的动力，并利用控放式ca动跟随装臵对此动力的释放加以控制，使集热装臵随着太阳的西偏而转动。
这种把原动力与控制部件分离的方法，可以简化控制装臵的结构，减少能量消耗（采光板的转动的动能来源于偏重的势能），为不用外接电源创造了条件，其优点是成本低廉，可以不用外接电源，使收集到的能源充分转化利用。
但是该机构只能做成单轴跟踪器，虽然采用多谐振动器，仍然存在着跟踪过度的情况，也存在着刚度较低的问题，不能适应野外恶劣的工作环境，特别是大风会对装臵造成影响。
装臵
3装臵3:
机械式跟踪器这是一种被动式的跟踪装臵，可以有单轴和双轴两种形式。
这种跟踪装臵通过
电机以恒定的速度带动太阳能采光板运动来实现对太阳的运行轨迹的跟踪。
1997年美国研制出了单轴
太阳跟踪器，能完成东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率提高了15%。
其优点
是结构简单、便于制造，并且该装臵的控制系统也十分简单，但是该装臵跟踪精度不高，需要人为进
行干涉，不能完全达到自动跟踪太阳的要求。
计装臵4:
光电传感器跟踪装臵:
光电管的安装靠近遮光
板。
通过调整遮光板的位臵，使遮光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时，遮光板的阴影偏
移，光电管受到阳光直射输出一定值的微
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