硅光电池的应用

上一期我们介绍了硅光电池的参数和物理性能，下面我们介绍硅光电池的应用。硅光电池的应用，一般可分为两大类，一类是把太阳能转换为电能作为电源使用；另一类是把光信号转换成电信号，作为光电转换器用于自动控制和测量技术中。

把单片硅光电池经串、并联组成硅光电池组，与镍镉等蓄电池配合，可作为一切低电压、小电流用电器的电源。这种电源具有很多优点，它不消耗其它能源，没有污染和噪声，而且体积小、重量轻，又由于它不易老化，因此寿命长，性能稳定。

单片硅光电池的开路电压在100毫瓦／厘米2的光强下约为500毫伏，短路电流为16～30毫安／厘米2。如果把面积大小和电参数都相同的单片硅光电池串联起来，则可得到所需要的电压值。如将12片硅光电池串联起来，其总电压值则为0.5×12=6伏，于是就可用于工作电压为6伏的晶体管收音机上。如果收音机需要的电流较大，还可将硅光电池并联使用，因为硅光电池输出电流的大小与并联后的总面积成正比。总之，硅光电池经适当串并联以后，可以组成具有一定输出功率的电池组。

硅光电池组作为电源可以直接给负载供电，但是在夜间无光或是阴雨天光强变化较大时，硅光电池便没有输出或是输出电压很低，影响使用效果。为了解决这个问题，人们都是把硅光电池组与镍镉蓄电池配合使用，如图1a、b所示。有光照时，由硅光电池向负载供电，同时也向蓄电池充电；无光照时，由蓄电池向负载供电，这就解决了负载的半永久性电源问题。图中D为防逆流二极管，因为在无光或光线很弱时，光电池组的输出电压低于蓄电池电压，因而造成电流逆流（由蓄电池流向硅光电池组），加了二极管D就能防止逆流的出现。D的最大工作电流要大于硅光电池组的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池的电压。图1的a和b还有区别，图1a是把若干硅光电池片串联成一组后再进行并联，这种连接法有一个缺点，一旦某一电池片损坏，则将会使整个一组不起作用。图1b中，每一横行的硅光电池片都并联在一起，假如其中任一硅光电池片损坏，则不会影响其它片子的工作。

目前，由于硅光电池的价格较贵，又受光照条件的限制，因此还不能普遍作为生产和生活中的电源来使用，但是在一些特殊环境中，例如在人造卫星、无人气象站、微波通信中继站、航标灯、黑光灯、电牧栏、地震仪器上却被广泛地作为电源使用着。

把硅光电池作为光的接收器件，利用光的有、无来断开或闭合电路，这样就组成了光电开关电路。最基本的光电开关电路如图2a所示。图中晶体管3AX22的基射极电压V\(_{be}\)约为0.3伏，无光照时，硅光电池无电压输出，晶体管截止，电路输出电压V出=-6伏；有光照时，硅光电池的输出电压大于0.3伏，晶体管导通并达到饱和状态，V\(_{出}\)≈0伏。晶体管的截止和饱和这两种状态（两种不同的输出电压）就相当于一个开关的断开和闭合。如果把V出端和执行机构适当连接，就能达到自动控制的目的。例如，我们把阳光作为照射硅光电池的光源，就能制作出路灯自动开关控制器。清晨，太阳升起来，硅光电池受到阳光照射，V出≈0伏，这个0伏信号控制执行机构，使路灯电源断开，灯灭；太阳下山以后，硅光电池不再受阳光照射，V出=-6伏，-6伏信号再去控制执行机构，接通路灯电源，灯则亮。

图2a的电路不能用硅管，因为硅管的V\(_{be}\)为0.7伏，而硅光池的最大输出电压也不会超过0.6伏，所以硅管不能导通。若用硅管可采用图2b的线路，它把两片硅光电池串联，受到光照时，它们的总输出电压大于0.7伏。图2c则是在硅光电池2CR上串联一只二极管2AP9，2AP9的正向压降约为0.3伏，当有光照时，加在晶体管b、e极之间的电压为2CR的输出电压与2AP9的压降之和，因此大于0.7伏，线路能工作。

光电开关电路应用范围很广，除了作路灯自动开关以外，还可用于航标灯、室内照明灯的自动开关，用于冲床、木工刨床、切纸机的安全保护装置，用于印花套版定位，邮局、银行的光电日戳机，纺织行业的断头自停装置，防盗报警器，光电计数器等等。

光电开关的光源有多种，它们各有特点。例如白炽灯泡，货源充足，价钱便宜，但寿命短。用激光器作光源，稳定性能好，但所需工作电压高，价钱也高。砷化镓红外发光二极管价钱虽然也较高，但所需工作电压低，光均匀稳定，而且这种光源发出的光眼睛看不见，因此作防盗报警器的光源比较理想。

利用硅光电池的光电流、电压随受光面积而变化的特性，可以制成多种光电检测仪器的探测头。例如，衣服的布面上有无疵点，决定于纱线上有无纱疵，为了检验并去掉纱线上的纱疵，人们研制了“电子清纱器”。图3是电子清纱器光电探测头的示意图，当均匀纱线通过探测头时，硅光电池输出某一电压信号，执行机构不动作；当纱线上出现纱疵时，由于纱疵比纱线粗，硅光电池的受光面积随之减小，因而其输出电压也随之减小，当小到一定数值时，执行机构便会动作，电磁铁吸动并控制剪刀剪断纱线，实现自动清纱。

硅光电池作为光电探测器，还可用在激光准直仪上。例如，在铺设铁轨时，对铁轨的水平度要求很高，一般在百米长的一段距离内，其上下偏差不能超过四毫米。为了达到这个要求，在施工中可采用图5所示的激光准直仪（示意图）进行校准。它用激光器作光源，用9片硅光电池作光的接收器件，光源与光电池保持在百米以上的距离，把它们的位置调好以后，只有光源照射到5号硅光电池上，水平度才符合要求，若照射到其它号电池上，说明在高度上有偏差。

利用硅光电池的光电转换特性，可以制成很多高精度的检测仪器，检测各种物质的物理性能，例如，检验水的浊度，检验针剂的清洁度，检验钢、铝金属工件的平整度，测量农作物叶面积的大小等等，限于篇幅，这里不一一细谈。

最后需要说明，作为光电转换器件，除了硅光电池以外，还有很多其它类型的器件，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电倍增管、硒光电池等等。这些器件有的时候可以互换（当然不同器件的电路不同），互换后从效果上看并无十分明显的差别。但是它们各自还是具有一些不同的特点，选用时如果注意到了这些特点，还是可以得到电路更简单一些，效果更好一些的设备。例如，硒光电池接收光谱的峰值约在0.56微米，接收光的频谱范围与人眼的视觉函数相同，因此用作照度计的探头很方便。但是硒光电池的光电灵敏度低，体积也较大，而且容易出现光老化，寿命较短，因此硒光电池在不用的时候，应当加保护罩，使其避光，以延长其使用寿命。硅光电池的光电灵敏度较高，体积小，重量轻，寿命长，有的可使用数十年。但是硅光电池接收的光谱峰值在0.9微米左右，属于近红外光的范围，如果选用硅光电池作照度计的探头，则应加滤光片进行校正。硅光电二极管、三极管一般是全密封式的，具有防潮、防震、防沾污、工作频率高的优点，又由于它们的管芯小，受光面积小，因此接收光线的方向与受光面轴心的夹角越小越好，这样可以提高光控精度。硅光电池是一个大面积的PN结，接收光线方向与受光面轴心角度的限制不严格，还可根据需要任意选定不同面积、不同形状的硅光电池，给设计提供了方便。此外，硅光电池在出售时一般不加封装，用户使用时需加防潮、防污保护装置。光电倍增管的光电灵敏度很高，但它的体积大，怕震动，需加高压电源才能工作，因此设备复杂，价格较高。(程春生)