人们都很熟悉手电筒里的干电池和汽车上的蓄电池，而对硅光电池却有不少人感到陌生。什么是硅光电池呢？
硅光电池又叫硅太阳电池，它是一种把光能直接转换成电能的半导体光电器件，就是说，当光线照射到硅光电池上，它能产生一定的电压和电流。硅光电池除了能作电源以外，还可作为光电控制器件使用，应用范围很广。
结构及工作原理
硅光电池的结构如图1所示，它实际上是一个大面积的PN结，在PN结两边引出两条电极引线：上电极引线和背电极引线。硅光电池表面有一层蓝色膜，叫作一氧化硅抗反射膜。它的作用是减少光的反射，提高硅光电池的转换效率。图1中和上电极引线相连的栅线是为减小硅光电池的表面电阻，提高硅光电池的输出电功率而加的。但由于栅线也占有一定的面积，照在栅线上的那一部分光不能产生电压和电流，作为光电检测器件时，可能会影响检测精度，因此，也有的硅光电池没有栅线。
硅光电池的工作原理是光生伏特效应。图2是光生伏特效应示意图。我们知道，光是由光子组成的，光子具有一定的能量。硅光电池受到光照时，光子便与硅原子中的电子发生碰撞，把自己的能量传给电子，使电子离开原来的位置，并由束缚状态变成自由状态，成为自由电子，而电子原来的位置就成为空穴。这种由于光的照射而产生的自由电子和空穴就叫作光生电子和光生空穴。硅光电池也和普通半导体二极管一样，在PN结处存在着结电场，其方向由N区指向P区。在这个结电场的作用下，运动到PN结附近的电子被拉向N区，空穴被拉向P区，于是在N区和P区就形成了电子和空穴的集累，使N区和P区两端产生电动势，这就是光生伏特效应。当有负载通过上电极引线和背电极引线接到电池片上时，就有电流流过。
主要参数及规格
硅光电池的主要参数有开路电压V\(_{OC}\)、短路电流ISC和转换效率η。这几个参数应以赤道附近太阳直射地区的海平面的太阳光作光源实测而得，那里太阳光的强度约为100毫瓦／厘米\(^{2}\)。生产厂家一般用2850°K色温的碘钨灯或镍钨灯作光源进行测量。
开路电压V\(_{OC}\)：把光电池置于光源的照射下，在光电池两极接上高内阻直流毫伏表，这时测得的电压即为开路电压。由于电压表本身有内阻，电池的负载并不是无穷大，电池并非真正开路，因而有测量误差。但只要电压表内阻相当大，测量误差则可忽略不计。硅光电池的开路电压为450～600毫伏。
短路电流I\(_{SC}\)：在光源照射下，把一低内阻电流表连到硅光电池的两极上，这时测得的电流即为短路电流。同样，由于电流表内阻造成的测量误差也可忽略不计。每一平方厘米硅光电池的短路电流为16～30毫安。
转换效率η：单位面积的硅光电池的最大输出功率与垂直入射到光电池表面上的入射光功率之比为硅光电池的转换效率。目前硅光电池的转换效率为6～12％。
硅光电池有2CR和2DR两种类型，2CR型是用N型单晶硅制成的，2DR型是用P型单晶硅制成的。硅光电池按其受光面积和转换效率分档。例如北京光电器件厂生产的面积为10×10mm\(^{2}\)的CR型硅光电池则分2GR41（η=6～8％）、2CR42（η=8～10％）、2CR43（η=10～12％）、2CR44（η=12％以上）四种，而面积为10×20mm2的硅光电池则分2CR51～54四种，它们的效率也分别为6～8％、8～10％、10～12％、12％以上四种。
硅光电池可以制成各种不同的几何形状，例如有方形、矩形、三角形、圆形、环形，还可在一块硅单晶片上制作多块电池，成为多电极硅光电池。圆片形多电极硅光电池又分为对称式的、四象限的、双环的、多环的等等，可根据需要任意选择。一部分硅光电池的外形图见图3。
重要物理性能
为了正确地使用硅光电池，光了解它的主要参数及规格是不够的，还必须了解它的一些重要物理性能。下面分条加以介绍。
（1）光谱特性：硅光电池虽然是光电转换器件，但对不同波长的光反应不同。硅光电池的相对输出（即将最大输出定为100％，将其它情形下的输出与最大输出比较）随入射光波长而变化的情形可用光谱特性曲线来表示，见图4。从图4可以看出，硅光电池可以接收0.4～1.1微米范围内的光，峰值波长则为0.86～0.9微米。由此可见，硅光电池对近红外光最为敏感，使用时要注意使光源的发光光谱满足硅光电池的需要。目前采用的光源有白炽灯、太阳光、激光器。用砷化镓材料制成的红外发光二极管其峰值波长为0.9微米，因此用作硅光电池的光源是理想的。
（2）硅光电池的开路电压V\(_{OC}\)与光强的对数成正比，短路电流ISC与光强成正比（见图5）。对不同面积的硅光电池来说，V\(_{OC}\)的值与电池的面积无关，ISC的值与电池的面积成正比。在同一片硅光电池上，V\(_{OC}\)又与受光面积的对数成正比，ISC与受光面积成正比。
（3）硅光电池的输出电压V\(_{LS}\)、输出电流ILS、输出功率P\(_{S}\)是随负载RL而变化的（见图6）。R\(_{L}\)由小变大，VLS也由小变大，R\(_{L}\)越大，VLS就越接近于开路电压V\(_{OC}\)。负载电阻RL由大变小，输出电流I\(_{LS}\)则由小变大，当RL=O时，I\(_{LS}\)=ISC。输出功率是输出电压和输出电流的乘积。当R\(_{L}\)为某一数值RM时，输出功率最大，R\(_{M}\)被称为硅光电池的最佳负载。
（4）硅光电池的温度特性曲线如图7所示。开路电压V\(_{OC}\)随温度的升高而下降，温度每升高1℃，开路电压下降约为2～3毫伏。短路电流ISC随温度升高略有上升。输出功率随温度的升高而下降。硅光电池的使用温度范围为-55℃～＋125℃。
（5）硅光电池的响应速度：硅光电池的响应速度是指硅光电池对突变光照的反应速度。硅光电池为大面积PN结器件，结电容是影响响应速度的因素之一。不同面积的硅光电池结电容不同，因此响应速度也不同。在高频应用时，所选硅光电池的面积应当小些。外接负载电阻越大，响应速度也越慢。响应速度的高低一般由响应时间来代表，它等于结电容和负载电阻R\(_{L}\)的乘积。硅光电池的响应时间可在10\(^{－3}\)～10－6秒的范围内。
最后谈谈硅光电池的使用寿命。实践证明，硅光电池的寿命很长，性能很稳定。硅光电池在短时间内损坏，主要是由机械损伤引起的，如电池片子碎裂、正负极引线断开、一氧化硅蓝色膜脱落等等。受潮和沾油污最容易使蓝色膜脱落，因此应注意不要用手直接触摸电池片，并应防潮。为防止损坏，可把电池片用树脂封装或放在受光面上透明的有机玻璃盒内。但应注意经长时间光照可能使封装材料透光率变低或受环境污染表面附上异物，这都会使光照强度降低，因而使光电池的参数也相应降低。用白炽灯泡作光源，经长时间照射，可能会使硅光电池的环境温度升高，因而降低输出功率。以上几点都是在使用当中应当注意的问题。至于硅光电池都有哪些用处，留待下期再谈。(程春生)