硅光电池的工作原理是怎样的？

硅光电池SpC（Siliconphotocell）的工作原理
 

硅光电池是一个大面积的光电二极管（photodiode），它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。

当半导体pN结处于零偏或反偏时，在它的结合面耗尽区存在一内电场。当有光照时，入射光子将把处于价带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子-空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和p型区，形成一个正向光伏电压Vp，可用作光电池SpC，对外输出电流。当在pN结两端加负载时就有一光生电流Ip流过负载，方向是从p型区流入负载，然后流入光电二极管的N型区，与pN结的正向导通电流方向相反。于是，流过pN结两端的电流I可由式（3）确定：

其中IS为没有光照射时的反向饱和电流，V为pN结两端电压，T为绝对温度，k为玻尔兹曼常数，Ip为产生的光电流。室温300K下，e/kT=26mV。从式中可以看到，当光电二极管处于零偏时，V=0V，流过pN结的电流I=–Ip；当光电二极管处于反偏时（本实验取–5V），流过pN结的电流I≡–IpS=–（Ip+IS），从而IS=IpS–Ip。因此，当光电二极管光电池用作光电池时，光电二极管必须处于零偏，而用作一般的光电转换器时，必须处于零偏或反偏状态。

光电池SpC处于零偏或反偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率pi有以下关系：

式中R为响应率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于价带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为λT=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大紫外吸收系数使R值很小。

图4左部是光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号（μA级），再经电流电压转换器（I/V转换器）把光电信号转换成与之成正比的电压信号（mV级）。比较光电池零偏和反偏时的信号，就可以测定光电池的IS。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。4.光电池的负载特性

光电池作为电池使用如图4右部所示。在内电场的作用下，入射光子由于内光电效应把处于价带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压Vp，在光电池两端加一个负载RL就会有电流流过，当负载电阻RL很大时，电压较大；当负载电阻RL很小时，电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定光电池的负载特性，进而可以得到光电池的伏安特性。

图4.光电池光电信号接收、特性测试框图（数字1~4分别表示需连线的4个实验序号）。

除示波器外，其它全部器件在TKGD-1型硅光电池特性仪上