科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ研 究 报 告
２００９ ＮＯ．２６
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ能源是人类生存和发展的重要物质基础，也是当今国际政治、经济、军事、外交关注的焦点。当前人类获得能源的主要技术都有碳原子的参与，产生二氧化碳排放，带来大气污染、温室效应等气候变化。随着全球能源需求增长，需要寻找低碳、无碳的能源技术，太阳能具有取之不尽、无污染等优点。太阳因内部发生着核反应，温度高达１．５×１０７Ｋ，会辐射出大量的热能，照射到地球上的太阳能非常巨大，大约４０ｍｉｎ照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求［１］。成为未来最有希望的可再生新能源——绿色能源。
１ 光电传感器
１．１光电效应
光电效应是指因光照而引起物体电学特性改变现象。电特性变化是指光照射时物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等［２］。
光电效应大致可归纳为两大类：（１）外光电效应：物质受到光照后向外发射电子的现象。这种效应多发生于金属和金属氧化物。
（２）内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。这种效应多发生于半导体内。内光电效应又可以分为光电导效应和光生伏特效应。
光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。
光生伏特效应是指在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。
１．２光电传感器
利用物质的光生伏特效应把光信号转换成电信号的器件称为光电传感器件。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。
２ 光伏电池的原理
光电池是在光线照射下，直接将光量转变为电动势的光学元件，它的工作原理是光生伏特效应，简称光伏效应。在有光线作用时ＰＮ结就相当于一个电压源［３］。２．１光生伏特效应
光照使不均匀半导体或均匀半导体中光电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象称为光生伏特效应，是把光能变为电能的一种效应。
当光照射在 ＰＮ结时，如果光子能量大于半导体带隙能量（Ｅｏ＞Ｅｇ），可激发出电子——空穴对，在ＰＮ结内电场作用下空穴移向Ｐ区，电子移向Ｎ区，从而形成从Ｎ型区到Ｐ型区的电流。使Ｐ区和Ｎ区之间产生电压，这个电压就是光生伏特效应产生的光生电动势（图１所示）。当ＰＮ结两端通过负载构成闭合回路时，就会有电流沿着由经外电路的方向流动。基于这种效应的器件有光电池。
光生伏特效应的两点小结：
①ＰＮ结产生光生伏特的条件是：Ｈｖ≥Ｅｇ；
②光生伏特的大小与照射光的强度成正比。
Ｈｖ——光子的能量；Ｅｇ——材料的带隙能量。２．２物理原理
２．２．１电池材料
（１）Ｎ型半导体，多子是电子，少子是空穴。当利用磷原子掺杂时，因为硅里面有很多自由电子，得到Ｎ型硅。与纯硅相比，Ｎ型掺杂硅是一种性能好得多的导体。
（２）Ｐ型半导体，多子是空穴，少子是电子。当利用硼原子掺杂时，因为硅里面有很多自由空穴，这样得到Ｐ型硅。Ｐ型硅导电性能比纯硅好。
当Ｐ型和Ｎ型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的Ｐ型一侧带负电，Ｎ型一侧带正电。这是由于Ｐ型半导体多空穴，Ｎ型半导体多自由电子，出现了浓度差。Ｎ区的电子会扩散到Ｐ区，Ｐ区的空穴会扩散到Ｎ区，一旦扩散就形成了一个由Ｎ指向Ｐ的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是ＰＮ结。
２．２．２光电池光伏效应
当有光照射时，光线足以透过Ｎ型半导体入射到ＰＮ结。对于能量大于材料禁带能量的光子，每个携带足够能量的光子通常会正好释放一个电子，从而产生一个自由的空穴。如果这发生在离电场足够近的位置，或者自由电子和自由空穴正好在它的影响范围之内，则电场会将电子送到Ｎ侧，将空穴送到Ｐ侧。这会导致电中性进一步被破坏，如果我们提供一个外部电流通路，则电子会经过该通路，流向它们的原始侧（Ｐ侧），在那里与电场发送的空穴合并，并在流动的过程中做功。２．３光伏电池的发电原理
光电池实质是一个大面积ＰＮ结，结构如图２所示，上电极为栅状受光电极，栅状
光电传感器——光电池
叶宏
（厦门国源房地产集团有限公司 福建厦门 ３６１００９）
摘 要：能源短缺和环境污染是制约各国持续发展的两个关键问题。本文主要从介绍光电传感器入手， 分析了光伏电池的基本原理和
特性，对不同原料制造的光伏电池能量转换效率进行分析比较，展望太阳能电池的发展趋势及降低太阳能发电成本的一些方法。
关键词：光电传感器 光伏电池 能量转换效率 硅材料
中图分类号：ＴＭ９１４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０９（ｂ）－００１１－０３
图１ＰＮ结因光照产生电动势图２光电池结构图３光电池发电原理
Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ研 究 报 告
电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在Ｐ－Ｎ结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。一般可产生０．２～０．６Ｖ电压，５０ｍＡ电流。图３所示。
３ 光伏电池材料
从能量转换的角度来看，光伏效应是能量大于Ｅｇ的光子将其一部分能量转变为电能［４］。因此太阳能电池材料的选取，带隙能量Ｅｇ是一个关键参数。Ｅｇ降低时，可利用更多的光子，有利于对太阳光的吸收；Ｅｇ增大时，可吸收的
太阳光通量减少。如果Ｅｇ过低，那么在增大电流的同时，也会损失一定的电压。功率是电压和电流的乘积。材料最优带隙能量必须能平衡这两种效应，综合考虑这两方面的影响，材料最佳Ｅｇ值约为１．１－１．７ｅＶ。３．１ｃ－Ｓｉ（单晶硅）
单晶硅的Ｅｇ＝１．１ｅＶ，单晶硅电池以其转换效率高（２４．７％），提炼工艺成熟，并具有很好的稳定性和可靠性，户外连续操作几十年性能也不会退化；单晶硅生产成本居高不下，可见光区的吸收系数低，制约单晶硅在普通领域的推广应用［６］。
３．２ａ－Ｓｉ（非晶硅）
非晶硅的Ｅｇ＝１．７５ｅＶ，非晶硅电池转换效率较低（１４．５％），非晶硅电池产品的性能极不稳定，电池衰减快，应用市场受到制约。在可见光区有较高的吸收系数，光电池中的半导体层厚度可＜１００μｍ，且非晶硅电池转的生产成本低廉，在低价及小规模的能源供应市场，非晶硅电池还是占据一定的市场份额。
３．３ｐ－Ｓｉ（多晶硅）
多晶硅太阳电池已报导的转换最高效率为２０．３％。多晶硅太阳电池因性能稳定和成本适中而得到越来越广泛的应用。多晶硅太阳电池对原料的纯度要求较低，原料来源渠道较为广阔，适合大规模商业生产。目前多晶硅太阳电池已超越单晶硅的产量，占据市场的主导地位［６］。
３．４其他电池材料
对能量转换效率要求高的光伏电池，电池材料一般采用ＧａＡｓ、ＩｎＰ和ＣｄＴｅ制造，如美国波音公司开发的由砷化镓半导体同锑化镓半导体重叠而成的太阳能电池，光
电变换效率可达３６％，快赶上了燃煤发电
的效率，但是由于它太贵，目前只能限于在
卫星上使用［３］。
无机半导体太阳能电池对原材料纯度
要求非常高，且价格昂贵，因此其应用受到
很大。有机太阳能电池由于具有价格
低廉、易于加工、适于制作大面积柔性器件
等优点而备受关注。聚合物固体薄膜光电
池在一些主要性能指标上已接近商品化非
晶硅光电池的指标；已有可能在非晶硅光
电池的应用领域得到广泛的应用［７］。
染料敏化纳米薄膜太阳电池的原理就
是绿色植物光合作用原理的有机应用，该
项技术具有的７％～８％的光电转换效率、１５
年以上的使用寿命以及成本仅为硅太阳能
电池的１０％～２０％，使其在实际应用中具有
良好的发展前景［８］。
４ 发展趋势和展望
自２０世纪９０年代开始，温室效应使全球
变热问题日趋尖锐，促使新能源（特别是ＰＶ
太阳能）的开发大大加速。目前光伏电池较
成熟的技术采用是无机半导体硅材料，但
其原料的纯度要求非常高，使硅原料的提
炼成本增加。材料的价格昂贵，商业用途的
光伏电池的能量转换效率也低于１５％，是造
成太阳能发电的成本比用煤或核燃料发电
的成本高一个数量级，制约利用太阳能电
池发电的推广使用。降低太阳能电池的发
电成本已成为太阳能发电产业当务之急需
解决的任务，太阳能行业今后要着重从以
下几方面发展。
降低太阳能电池板的价格。当前光伏
电池板的制造过程中，单晶硅或多晶硅原
材料的成本占据电池板总成本的６０％左右，
硅原料的成本制约了电池板的生产成本，
使太阳能电池板的价格居高不下，应在硅
的冶炼及提纯上采用新技术和新工艺，形
成规模化生产，降低硅原料制造成本。
提升光伏电池的能量转换效率。通过
提高硅原料的纯度和改善电池板的加工工
艺，提高电池的能量转换效率。
多晶硅薄膜太阳电池的研制。硅原料
占太阳能电池成本６０％，减少硅原料意味降
低太阳能电池板的成本，如果采用硅薄膜
太阳能电池，４０μｍ厚的硅薄膜即可吸收
８０％太阳光，与体硅电池中至少２５０μｍ厚的
硅片相比，极大地降低硅原料的消耗，相应
也降低了多晶硅薄膜太阳电池的每峰瓦造
价，而电池效率与多晶硅体硅电池相当［９］。
具有光生伏特效应的有机材料的研
制。可以最大限度的降低太阳能电池的制
造成本，单纯由有机小分子或高分子共轭
聚合物制成的太阳能电池效率只有１０－３～
１０－２［１０～１２］，不能达到实用的水平。而聚合物
固体薄膜光电池在一些主要性能指标上
已接近商品化非晶硅光电池的指标；具有
制作大面积柔性器件的特点，因此已有可
能在非晶硅光电池的应用领域得到广泛
的应用。
高效太阳能光电池的发展。华南理工
大学研制小组根据新的理论对材料采用特
殊的组合及形式上的独特考虑，目前电池
的转换效率已达到３６％，不久将可突破
４０％～５０％以上［１３］。采用新材料，可以把光电
池的转换效率从２０％～２４％提高到３６％以
上，达到燃煤的热转换效率，同时电站投资
成本亦将降低５０％左右。这就为太阳能电站
的发电成本降低到目前的电力成本以下提
供了技术条件，从而大大提高了经济效益。
多接面太阳能电池的发展。不同电池
材料的Ｅｇ值不同，提高光电转换效率的方
法是使用两层或者多层具有不同带隙的不
同材料。带隙较高的材料放在表面，吸收较
高能量的光子；而带隙较低的材料放在下
方，吸收较低能量的光子。其针对不同的波
长或不同能量的光子进行了“调谐”。
太阳能电池发电既能节约地球上有限
的资源，又能保护环境，具有“一石双鸟”之
佳效，太阳能产业是新兴的朝阳行业，其成
长性很好，所以我们要不断努力，使其进一
步发展，为人类造福！
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１２科技创新导报 Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ
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Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ数据库是极为重要的。
元数据库的数据字典应当包括：Ａ、异构数据库必要描述：包括数据源连接、环境信息、内容注册以及数据库表、字段的描述；Ｂ、元数据库描述：自身的存储位置、权限、操作历史以及各个表和字段的基本信息；Ｃ、用户信息：用户的基本信息、权限和历史操作；Ｄ、主题描述：包括主题名称、内容及更新记录等；Ｅ、应用描述：记录管理各种应用算法。
（２）数据库数据规范：按照数据标准化的原则与方法，对生物信息科学研究所涉及的数据项进行采集、分析、归类、协调等工作，对每项数据的名称、定义、数据类型、相互关系等属性进行规范化处理，提供对生物信息科学数据的语义正确、、无歧义的理解。生物信息学的主要数据库根据数据内容的不同可以分为序列数据库、结构数据库、基因组数据库和文献数据库等。不同的数据库类型由于数据内容的差异性，无法建立统一的数据字典，而需要根据不同的数据类型进行详细分析，采取有针对性的数据规范。
以核酸序列数据库为例，Ｇｅｎｂａｎｋ／Ｅｍｂｌ／ＤＤＢＪ三大核酸序列数据库是目前国际上通用的数据库，可以说，该数据库的数据标准已经成为了国际核酸序列数据库的事实标准。完整的ＧｅｎＢａｎｋ数据库包括序列文件，索引文件以及其它有关文件。索引文件是根据数据库中作者、参考文献等建立的，用于数据库查询。ＧｅｎＢａｎｋ中最常用的是序列文件。序列文件的基本单位是序列条目，包括核苷酸碱基排列顺序和注释两部分。我国目前建立的相关的核酸序列数据库也是按照这三大数据库的标准进行建
设的，因此，我们在详细研究国际核酸序列数据库的基础之上，提出了一个普遍的核酸序列数据库数据格式说明（依次排列为名称、内容、说明）：ＬＯＣＵＳ、位点、记录的描述信息，ＤＥＦＩＮＩＴＩＯＮ、定义、对记录的一段简洁的描述，ＡＣＣＥＳＳＩＯＮ、序列号、对每一条记录都是唯一的，ＶＥＲＳＩＯＮ、版本、序列的版本号，ＫＥＹＷＯＲＤＳ、关键词、用来描述基因产物或其他信息，ＳＥＧＭＥＮＴ、片段、在连续的核算序列上，该序列出现的位置，ＳＯＵＲＣＥ、来源、该组织的名称或者在文献中的名称，ＯＲＧＡＮＩＳＭ－、组织、在分类学角度上该组织的名称，ＲＥＦＥＲＥＮＣＥ、参考文献、与该记录相关的参考文献，ＡＵＴＨＯＲＳ、作者、参考文献的作者，ＴＩＴＬＥ、标题、参考文献的标题，ＪＯＵＲＮＡＬ、期刊、期刊名称，ＭＥＤＬＩＮＥ、Ｍｅｄｌｉｎｅ序列号、该文献在Ｍｅｄｌｉｎｅ数据库中的序列号，ＲＥＭＡＲＫ、相关性、文献与记录的相关性，ＣＯＭＭＥＮＴ、评论、与其他记录的交叉引用，ＦＥＡＴＵＲＥＳ、特征、序列的分子生物学特征，ＢＡＳＥ ＣＯＵＮＴ、碱基频率、序列中某碱基的出现次数，ＣＯＮＴＩＧ、片段重叠群、描述单个碱基进行片段重叠的信息，ＯＲＩＧＩＮ、序列、该条记录的序列信息。
（３）数据交换格式： ＸＭＬ是Ｗ３Ｃ的标准文件格式，它不仅可以很好地兼容原有的网络应用，而且可以更好地实现信息共享与交换。与其他数据交换语言相比，ＸＭＬ具有相当的扩展性和开放性。目前，生物医学界也已经采用ＸＭＬ作为其数据注释的通用框架。日本ＤＮＡ数据银行（ＤＤＢＪ）通过采用ＸＭＬ也得到了性能上的提升，并可以执行比普通ＢＬＡＳＴ或ＦＡＳＴＡ更为复杂的检索。因此，ＸＭＬ是一种解决数据格式差异，实现数据交换的非常好的标准。
（４）数据图示与术语表达规范：利用一定的图示表达语言，对生物信息数据中可能使用的图示表达的内容进行表达方式的规范，如数据表达成什么样的统计图、数据表或矢量图，图线的宽度、颜色、透明性等各种属性。
数据库的标准化工作是一项长期的工作，并随着数据来源、数据组织形式、数据的复杂性等因素在不断地进行改进，从标准化工作的实施来看，还应当根据实际应用进行总结和提炼，并且随着数据标准的应用和数据的变化进行调整，才能够具有长久的生命力。
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ｃｔｉｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｅｖｉｃｅｓ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐ ｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９４，６４（１２）：１５４０－１５４２．
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ｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｏｄｅｓ： ｌａｒｇｅ ｓｉｚｅ， ｌｏｗ ｃｏｓｔ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒｓｗｉｔｈ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｖｉｓｉｂｌｅｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ［Ｊ］． Ａｐｐ ｌ Ｐｈｙｓ Ｌｅｔｔ，１９９４，６４（２５）：３４２２－３４２４．
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