硅光电池
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半导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应，叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在不通的光照条件下可以在PN结两端产生电动势。
硅光电池的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。例如，国产2CR型硅光电池在100mW/cm2的入射光强下，开路电压(需用高内阻的直流毫伏计测量)为450～600mV，短路电流为16～30mA，转换效率为6％～12％。
硅光电池的工作原理
光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向PN结方向扩散。扩散过程中，一部分电子和空穴复合消失，大部分扩散到PN结边缘。在结电场的作用下，大部分光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结；大部分光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结，到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型区的积累，会在PN对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。
硅光电池的伏安特性
硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如图1所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场。
当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是:
（1）
式(1)中I为流过二极管的总电流,Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。
当有光照时，入射光子将把处于介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飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（2）确定：
（2）
此式表示硅光电池的伏安特性。
式（2）中I为流过硅光电池的总电流,Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时（在本实验中取V=—5V），流过PN结的电流I=Ip—Is。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。
光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率 Pi有以下关系：
（3）
式（3）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，以保证处于介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λc=1.1μm，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。
图2 光电池光电信号接收框图
图2是光电池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，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。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。
硅光电池的负载特性
光电池作为电池使用如图3所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。
图3 硅光电池负载特性的测定
非晶硅光电池
a—Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1μm厚的薄膜，易于大面积化 （0.5m×1.0m），成本较低，多采用p in结构。为提高效率和改善稳定性，有时还制成三层p in 等多层叠层式结构，或是插入一些过渡层。其商品化产量连续增长，年产能力45MW／a，10MW生产线已投入生产，全球市场用量每月在1千万片左右，居薄膜电池首位。发展集成型a—Si光电池组 件，激光切割的使用有效面积达90％以上，小面积转换效率提高到14.6％，大面积大量生产的为8—10％，叠层结构的最高效率为21％。研发动向是改善薄膜特性，精确设计光电池结构和控制各层厚度，改善各层之间界面状态，以求得高效率和高稳定性。
多晶硅光电池
p—Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。在单晶硅衬底上用液相外延制备的p—Si光电池转换效率为15.3％，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到23.7％，用CVD法制备的转换效率约为12.6—17.3％。采用廉价衬底的p—Si薄膜生长方法有PECVD和热丝法，或对a—Si：H材料膜进行后退火，达到低温固相晶化，可分别制出效率9.8％和9.2％的无退化电池。微晶硅薄膜生长与a—Si工艺相容，光电性能和稳定性很高，研究受到很大重视，但效率仅为7.7％。大面积低温p—Si膜与—Si组成叠层电池结构，是提高a—S光电池稳定性和转换效率的重要途径，可更充分利用太阳光谱，理论计算表明其效率可在28％以上，将使硅基薄膜光电池性能产生突破性进展。
晶体硅光电池
晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结成制作，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反肘膜、凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为 ∮10至 20cm的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在AM1.5条件下为24％，空间用高质量的效率在AMO条件约为13.5—18％地面用大量生产的在AM1条件下多在11—18％之间。以定向凝固法生长的铸造多晶硅锭代替＃晶硅，可降低成本，但效率较低。优化正背电极的银浆和铝浆丝网印刷，磨图抛工艺，千方百计进一步降成本，提高效率，大晶粒多晶硅光电池的转换效率最高达18.6%。
硅光电池的用途极度为广泛，主要用于下述几个方面： 硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造成卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。光电检测器件——用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光准直、电影还音等设备的光感受器。光电控制器件——用作光电开关等光电控制设备的转换器件。
