光电转换效率范文（精选8篇）
光电转换效率 第1篇
大连理工大学副教授杨希川和博士研究生张福国近日研发的低成本、高效率新型钙钛矿太阳能电池展示出优异的稳定性, 通过了室内1000小时的光照稳定性测试, 为钙钛矿太阳能电池走向产业化解决了很多关键性难题。成果发表于《纳米—能源》。
钙钛矿电池具有成本低廉、工艺简单 (适用于各种产业化技术, 包括溶液操作、卷对卷加工、热蒸镀等) 等优势。但其发展也面临着严峻的挑战:自然环境稳定性瓶颈, 以及Pb的毒性、环境污染和材料循环利用等关键技术问题。
研究人员率先将廉价的、无掺杂的纳米棒状的酞菁铜作为空穴选择性接触材料, 取代合成困难、价格昂贵并需要掺杂的空穴传输材料, 同时用低温碳取代金作为钙钛矿太阳能电池的对电极。测试发现, 酞菁铜纳米棒的应用有效地促进了电荷的分离、抑制了电子的复合, 经优化, 该类电池获得的光电转换效率达16.1%, 是目前基于碳对电极效率最高的钙钛矿太阳能电池。 (来源:中国科学报)
提高工作效率 推动新旧动能转换 第2篇
在全省新旧动能转换重大工程动员大会上，刘家义书记强调，“推动新旧动能转换已经成为事关山东长远发展的关键一战。我们只有思想再解放，才能更加清醒地认识发展趋势，把握发展大势，更加精准地贯彻党中央决策部署，在更大范围内汇聚起推进新旧动能转换的强大合力”。近年，我区高速发展，城市扩容不断增加，城市人口急剧攀升，新生事物不断涌现，给城市管理带来新的挑战，在这样的时期，困难和挑战并存，对我们的工作提出了更高的要求，首先要提高工作效率，转变思想作风，迎难而上，为岱岳城市发展增添活力，不断深化和提升城市治理能力。
一是提高认识，增强执行能力。我们要懂得“立即行动远胜于拖延”的道理。一百次心动不如一次行动。加强执行力，才能不断进取，才能进一步提高工作效率。做事拖拖拉拉，无形中就会降低工作效率，要想提高工作效率，就必须克服这种坏习惯。因此，要提高执行力，就必须树立起强烈的责任意识和进取精神，坚决克服不思进取、得过且过的心态。把工作标准调整到最高，精神状态调整到最佳，自我要求调整到最严，认认真真、尽心尽力、不折不扣地履行自己的职责。决不消极应付、敷衍塞责、推卸责任。养成认真负责、追求卓越的良好习惯。
二是脚踏实地，树立实干作风。天下大事必作于细,古今事业必成于实。虽然每个人岗位可能平凡，分工各有不同，但只要埋头苦干、兢兢业业就能干出一番事业。好高骛远、作风漂浮，结果终究是一事无成。
三是 开拓创新，改进工作方法。只有改革，才有活力；只有创新，才有发展。面对竞争日益激烈、变化日趋迅猛的今天，创新和应变能力已成为推进发展的核心要素。要敢于突破思维定势和传统经验的束缚，不断寻求新的思路和方法，养成思考的良好习惯。
光电转换效率 第3篇
众所周知,中微子是组成自然界的最基本的粒子之一,在自然界广泛存在。太阳、宇宙线、核电站等都能产生大量中微子,它是一种难以捉摸的基本粒子,质量非常小,不带电,几乎不与其它物质作用。也正由于中微子只参与非常微弱的弱相互作用,具有最强的穿透力,在100亿个中微子中只有一个会与物质发生反应,因此,中微子是一种极难被探测到的基本粒子。但同时,对中微子的研究将揭开宇宙演变的诸多奥秘,中微子科学已经成为粒子物理、天体物理、宇宙学、地球物理的交叉与热点学科,也是国际各领域研究的热点。近20多年,世界上有6位研究中微子的科学家获得诺贝尔奖[1]。
本项目重在研制一种新型的转换效率更高的微通道板光电倍增管,可作为大球面的中微子探测器件[2],该探测器通过大尺寸球面结构的光电阴极接收由中微子产生的光信号,以MCP代替传统的打拿极作为电子倍增极,采用全新的结构设计,最终由一体化的同轴 结构实现 脉冲电信 号的管内 阳极50Ω阻抗同轴传输,管外同轴输出。
1工作原理、结构及工艺路径
1.1工作原理
本项目研究的同轴输出型大面积球面微通道板光电倍增管(简称:MCP-PMT),整管主要由以下几部分组成:大面积近全球面光电阴极、电子光学系统、MCP电子倍增器、阳极同轴输出组件、一体式管壳。其结构示意图如图1所示:
如图1所示:光电倍增管工作原理可简述为:器件工作时,通过电子光学系统将来自近全球面的光电子聚焦到MCP输入面,由MCP进行电子倍增,进而形成与光信号相对应的电信号,再通过阳极同轴电极引出。图2为本光电倍增管的实物照片。
在本研究设计中,使管芯置于近管颈处,扩大了光阴极的发射面积,获得了比普通半球面光阴极更高的转换效率。电子光学结构M≈0.1,阴极工作面可达半球以下近40°的面积。
本新型MCP-PMT的特点具有:
(1)器件采用增大透射式光电阴极面积使上半球透射式光电阴极与下半球反射式光电阴极相结合、MCP作为电子倍增极的结构设计,可提高光阴极的有效面积,而小型电子倍增极微通道板的引入,可实现对接近全球面内的所有光阴极的利用,大大提高光电子探测效率;
(2)用MCP代替传统的打拿极作为电子倍增极,可减小电子在倍增过程中的渡越时间,提高了时间分辨能力,同时,也由于MCP体积小,减少了被阻挡的光阴极面积,从而有效地提高收集效率;
(3)采用管内阳极同轴传输、管外同轴 输出结构,形成一体的50Ω同轴线,输出端为SMA接头,具有10 MHz~2.5GHz的传输带宽,能够有效降低干扰,实现输出脉冲电信号的良好传输。
1.2整管工艺路径
工艺流程图如3所示:
2设计与研究:
2.1整管结构
整管设计的重点是进行电子光学系统的设计。该电子光学系统由聚焦极、全球面形光电阴极以及微通道板构成,即通过进行电子光学系统的模拟试验,解决了大面积近全球形、宽电子束的聚集问题。同时确定了整管结构及整管尺寸,确定了电极引出方式及结构。
首先,介绍一下电子光学系统的设计[3,4,5],课题组通过电子光学系统模拟试验,确定了合理的结构和距离,解决了超大面积近全球形光电阴极产生的电子发射、将宽电子束的聚焦在有效直径Φ18mm微通道板上的难题,通过反复试验对比最终确定选用膜孔型的平片作为聚焦极,再与光电阴极和微通道板输入面(极)构成电子光学系统的主体结构,图4为电子光学系统模拟试验装置示意图。接着,确定了适当的电子光学系统的放大率,如果放大率过大,由巨大的光阴极面产生的边缘的光电子就不能全部进入MCP有效接收面,从而造成光电子的丢失,影响探测信号的收集及转换效率,而另一方面,如果放大率太小,光阴极产生的光电子又会被MCP有效面中一部分区域所收集到,而微通道板典型的饱和特性就会使微通道板工作在非线性区域或者使微通板道增益达到饱和。因此,我们在进行理论计算设计的初始条件下,再通过对物距、像距、光阴极到微通道板输入间的电压等参数进行调整修正,并改进了不同电极引出结构的形状和接触收集方式,以确保从光电阴极有效面上任何一点发射的光电子都能够被MCP输入面所收集。最终,确定将电子光学系统放大率控制在0.1左右,阴极工作面可达半球以下近40°的面积。
2.2全新的微通道板电子倍增系统结构与处理技术研究
这是我们这个器件的一大创新点,我们以微通道板作为电子倍增极,减少电子渡越时间,有利于时间更短的光脉冲信号的探测。在本研究中,通过引入MCP预处理工艺,进行MCP预处理试验,确定合理预处理规范,实现管外预处理后转移装入管内。进行MCP倍增结构的设计,对电压引入方式、级联方式、电子引出结构进行了重点设计并进行了试验验证,以满足整管对电子增益的要求,实现MCP对打拿极的替代,同时降低暗噪声,提升器件的时间响应特性;
MCP是一种集成的薄形盘片状倍增系统,即以玻璃薄片为基底,在基片上以数微米到十几微米的空间周期以六角形周期排布孔径比空间周期略小的微孔结构。一块MCP上约有上百万微通道,二次电子可以通过通道壁上碰撞倍增放大,从某种意义上说,我们可以将每个通道都看作是一个独立的电子倍增器。由于MCP厚度仅为0.3~0.4mm,因此它比传统打拿极的倍增极结构具有更快的时间响应特性,另外,当MCP被用在多阳极输出的光电倍增管中作为倍增级 时,器件则具 有更好的 二维探测能力。
由于微通道板的结构特性,致使吸附在其孔径极微小的内壁表面的气体,很难在一般的制管除气工艺中被较好地排除,所以通道内残余的气体分子也会与光电子一起,在每个微小通道内光电子产生倍增时,残余气体产生电离,并一定程度地损伤光阴极,使噪声增大甚至导致真空度下降、影响光电倍增管的性能。因而,我们在制管过程中,增加了MCP预冲刷工艺,对MCP在进入系统前就进行预除气处理,通过合理的烘烤、冲刷工艺达到去除通道内壁吸附的气体分子的目的,再将处理过的MCP再装管进行整管制作,大大降低了暗噪声。
2.3暗电流控制技术研究
通过结构设计,对MCP、芯柱、电极引线间采取屏蔽及隔离措施降低极间漏电,对MCP采用二次电子冲刷,在光电阴极制作前高温高真空烘烤除气,减少阴极氛围对MCP的污染,通过优化阴极制作技术,降低热发射。
一般而言,阳极灵敏度越高,暗电流越小,则光电倍增管就能测量更为微弱的光信号。PMT产生暗电流的原因很多,主要是由阳极与各极间的漏电流、光电阴极和二次发射引起的热电子发射、离子反馈、光反馈等。其中,前两点为暗电流产生的主要因素。
在本研究中,主要通过以下方式减少漏电流及场致发射:
通过创新的结构设计对阳极、地电极均采用点支撑,大大减小漏电的通道,从而减少漏电流;
阳极作为最终的收集极,它与其它电极之间产生的场致发射电流或噪声会直接进入阳极回路或经MCP倍增后再进入阳极回路。而这些场致发射随着工作电压的提高会呈现雪崩式增大。我们将对阳极的屏蔽由阴极(两者间的电压差为1.6~2KV)设计改为地电极(两者间的电压差≈0V),大大减少了场致发射;
通过对所有电极间设计并安装屏避挡片来有效地减少整管及光电阴极制作过程中碱源对管芯处的污染,有效地降低暗电流。
2.4同轴传输结构研究:
设计几种不同结构的全同轴信号引出线结构,测试同轴线的传输带宽,解决了同轴线经过玻璃芯柱时无法连续,在管内至管外通过芯柱时,同轴线须尽可能保证50Ω传输阻抗的问题。由管内至管外连通成一体的50Ω同轴线,输出端为SMA接头。有效地屏蔽外界电磁场对信号的干扰,提高信噪比。SMA输出头则更方便使用。
光脉冲使光电阴极发射的光电子经过MCP倍增后被阳极接收形成相应的电脉冲信号。由阳极输出的电信号,必须真实地再现光输入信号的波形,然后传输到电子电路部分,才能获得光信号的准确测量结果。这种再现能力受到电子渡越时间、阳极信号传输线的脉冲上升时间和电子渡越时间分散的影响。当渡越时间和渡越时间分散确定后,管内至管外信号的同轴传输线就成为MCP-PMT能否实现精确测量的的关键。
课题组设计并试制几种不同结构的同轴线,在网络分析仪上进行测试和比较。最终确定了满意的结构并装管进行了整管制作。图5为同轴结构的带宽测试图
1)管内至管外的同轴接头其传输带宽10 MHz~2 GHz时为 -1.5 dB,10 MHz~3 GHz为-2dB;
2)由阳极至管外SMA输出头,整条阳极信号传输线的传输带度1.3GHz为-1dB,2.23GHz为-3dB(详细数据见图5)。
由稳态与瞬态计算公式:计算得到,该同轴线可以传输上升时间0.16ns的脉冲信号,提高了整管的时间特性。另外,采用同轴线结构可有效地屏蔽外界电磁场对信号的干扰,提高信噪比。
2.5大面积的球形光电阴极研制
进行光电阴极均匀性试验及光电阴极基底结构试验,完成透射式和反射式光电阴极组合的近全球面光电阴极结构设计及工艺流通。进行阴极制作工艺的优化,通过确定正确的阴极各组分比例、控制阴极反应速率,提高系统真空度等手段提升阴极灵敏度、阴极均匀性、降低阴极热电子发射,提高探测效率;
光阴极均匀性的保证:由于器件尺寸大,要制作超大面积的光电阴极,提高阴极探测效率,阴极的均匀性也至关重要,在本器件中,先计算出锑球的蒸散角以及蒸散距离,确定锑球的装架位置,再根据锑球大小、装架的情况进行调整,确保在光阴极制备过程中锑球均匀蒸散,在球壳内表面形成厚度分布均匀的锑膜,从而获得灵敏度均匀的光阴极。
降低热电子发射、提高阴极灵敏度:首先按照传统的真空器件制作工艺对管壳及内部的各组件、材料进行一系列的处理,并通过光阴极制备过程中对阴极反应的温度、碱源蒸发速率的控制以及对碱金属组份比例、交替次数的调整等方法,有效地降低了热电子发射并保证了较高的阴极灵敏度。
3结论
表1列出了本研制样品的主要技术指标.
器件首次在大尺寸的球面管内实现MCP电子倍增、大尺寸的近全球面光电阴极研制、同轴信号引出,将有效提高器件的探测效率、脉冲信号传输能力、降低暗噪声。目前该类光电倍增管国外产品也均采用打拿极结构,且未实现信号的管内同轴传输、管外同轴传输,因此,本器件的研究对超大尺寸光电倍增管的发展提供了一条全新的思路和技术途径。目前大尺寸的光电倍增管全球需求较大,尤其是大型科学实验装置的建造,将带动多款新型的PMT的研发和生产。因此本项目的研究,不仅可以进一步进行200mm探测器样管的生产和应用,满足目前较大的市场需求,产生较高的经济效益,还将为研发及生产更大尺寸(500mm)的静电聚焦结构的光电探测器的提供重要的理论基础、实验验证和技术路径。
参考文献
[1]王贻芳.中微子物理及其在中国的前景[J].科学热点,2006,1(5):4.
[2]中国科学院高能物理研究所,一种聚焦型光电倍增管[P],中国00910147915.4,2009.
[3]杜秉初,汪健如.电子光学[M].北京:清华大学出版社,2002.
[4]周立伟.宽束电子光学[M].北京:北京理工大学出版社,1993.
光电转换效率 第4篇
关键词：表面等离子体激元,有机太阳能电池,金属纳米颗粒
引言
随着全球能源需求量的逐年增加, 能源问题成为世界各国经济发展遇到的首要问题。太阳能作为一种绿色能源, 取之不尽, 用之不竭, 是各国科研人员开发和利用的新能源之一。
传统的太阳能电池主要依靠硅等无机材料实现光电转换, 虽然具有高效率、长寿命的优点, 但因材料昂贵、制备工艺复杂、成本太高等因素一直限制其大规模应用。有机太阳能电池是二十世纪90年代以来发展的新型太阳能电池。与无机太阳能电池相比, 有机太阳能电池具有低成本、超薄、质量轻、制作工艺简单、可制备大面积柔性器件等突出优点, 具有重要发展和应用前景, 也已成为当今新材料和新能源领域最富活力的研究前沿之一。
为了提高有机光电池的光电转换效率, 研究人员已经提出一些方法, 如利用低带隙聚合物以吸收红光和近红外部分太阳光谱技术[1,2]、在活性层中陷光的应用[3]、改善活性层的薄膜形态[4]、和阳极工程增加内部电场[5]等。近年来, 研究人员研究证明, 金属纳米粒子和纳米结构的表面等离子体激元可广泛用于提高有机太阳能电池的光电转换效率[6,7,8]。
入射光照射到金属纳米结构上, 其表面的自由电子在电磁场的驱动下在金属和介质界面上发生集体振荡, 产生表面等离子体激元, 它们能够局域在金属纳米颗粒周围或者在平坦的金属表面传播。表面等离子体激元具有表面局域和近场增强独特的光学特性, 可用于提高活性材料的光吸收、解离光激子、从而提高光电池的光电转换效率, 在有机太阳能电池方面有着重要的应用前景。
1 表面等离子体激元简介
金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体激元包括局域表面等离子体激元 (Localized Suface Plasmon, LSP) 和表面等离子体极化激元 (Surface Plasmon Polariton, SPP) 两种。LSP和SPP都具有表面局域特性, 因为各自色散关系的不同, 决定了它们是两种完全不同的激发态。LSP局域在各种不同形貌的曲面上, 是一种非传播模式, 具有两维的空间局域性。SPP的色散是一种传播模式, 具有一维空间局域性。
1.1 局域表面等离子体激元
对于金属纳米粒子, 通常采用经典Mie模型来描述其光学性能。采用偶极子近似, 在光波的电场力的激发下, 导带电子的振荡产生了沿着电场力方向的振荡电偶极子。电子被驱动到纳米粒子的表面, 其密度起伏相对于原子核的正电荷背景而言, 形成一个正负离子的集体的振荡称为表面离子体激元, 如图1所示[9]。
偶极型位移适用于尺寸较小的纳米粒子, 此时介质球的消光系数kex可表示为[10]:
式中N表示粒子的个数, V为单个粒子的体积, λ是光波长, εd为周围介质的介电常数。ε1和ε2代表金属介电常数εm的实部和虚部, εm=ε1+iε2, 依赖于光的频率ω。若ε2与ω关系不大, 当式 (1) 中的ε1+2εd=0时, 对应于共振吸收最大值, 从而形成共振增强。因此, 表面等离子体共振吸收发生在光频率ω满足共振条件:
假设可以用Drude模型描述导带电子对金属介电常数的影响得出:
这里ωp为金属的等离子频率, γ是和等离子共振带宽有关的阻尼常数。由式 (2) 、 (3) 可得出, 当球形金属纳米颗粒与入射光相互作用产生表面等离子体共振时, 其表面等离子体共振频率ωspr为:
式 (4) 说明, 表面等离子体共振频率与周围介质的介电常数εd相关。εd增加时, 导致共振频率ωspr红移。表面等离子体共振频率还依赖于纳米颗粒的种类、尺寸、形状和密度。
局域表面等离子体激元共振会在金属纳米粒子附近形成局域场增强效用。距半径为r的纳米颗粒表面距离d处的电场强度为[11]:
其中入射电场E0的系数即为局域场增强系数。当εm (ω) +2εd取极小值时, 即金属的介电常数的实部为-2εd, 则可获得最大的局域场增强系数。与上面得出的式 (2) 中的共振吸收增强一致。这种等离子体激元共振形成的局域场增强效用可用于有机太阳能电池中促进光吸收。
1.2 表面等离子体极化激元
表面等离子体极化激元 (Surface Plasmon Polariton, SPP) 用来描述平面情况下金属-电介质界面的激发。是光和金属表面的自由电子相互作用所引起的一种电磁波模式, 在这种相互作用中, 自由电子在与其共振频率相同的光波照射下发生集体振荡。它局限于金属与介质界面附近, 沿表面传播, 并能在特定纳米结构条件下形成光场增强, 这种表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用就构成了具有独特性质的SPP。
根据麦克斯韦方程结合边界条件, 可以计算得出SPP的场分布和色散特性。通过计算得到的在金属与介质平坦界面上传播的SPP波的色散关系[12]:
其中, ω是入射光频率, c是光速, εm、εd分别为金属和电介质的介电常数。
SPP激发时在界面上的极化电荷分布和电场示意图如图2[13]所示, SPP在垂直于金属表面的方向电场强度是呈指数衰减的, 这对应于SPP的表面局域特性。SPP另一个独特的性质是近场增强, 场增强的程度取决于金属的介电常数、表面粗糙程度引起的辐射损耗以及金属薄膜厚度等。利用表面等离子体极化激元高度表面局域和近场增强效应, 同样可以用在有机太阳能电池中促进光吸收。
2 表面等离子体激元增强有机太阳能电池光吸收
有机太阳能电池光电转换效率低的原因主要有两方面: (1) 有机半导体材料吸收光谱与太阳光光谱不匹配, 导致光电转换效率低。如现在广泛采用的聚合物光电材料3-己基取代聚噻吩 (RR-P3HT) 和富勒烯 (PCBM) 混合物, 带隙都较高 (大于1.6eV) , 不能充分利用太阳能。 (2) 有机物材料多为无定形材料, 结晶度较低, 分子间作用力较弱, 而光生载流子主要在分子内的共轭键上运动, 在分子间的迁移则比较困难, 从而导致光生载流子迁移率较低、寿命较短, 光电池中有机薄膜的厚度一般只能在100nm左右。这样的厚度对太阳光不能充分吸收, 严重影响了光电转换效率。
金属纳米结构和纳米颗粒的表面等离子体激元具有独特的光学特性, 可广泛用于提高无机和聚合物有机光电池的转换效率, 提高的原因可归于三个方面如图3所示[14]:
(1) 纳米粒子和结构对光的散射, 通过多重和高角度的散射, 入射光数次通过半导体薄膜, 增加了薄膜的光学厚度。对可见光有效地光散射需要金属纳米粒子的尺度在100nm以上。
(2) 5nm到20nm的金属粒子和纳米结构可作为亚波长天线吸收光子, 产生表面等离子体激元显著增强其周围的局域电场, 促进了半导体材料的光吸收, 增加了激子产生和解离的可能性。
(3) 金属纳米结构和有机、无机材料的界面间, 形成表面等离子体极化激元, 同样将促进光的有效吸收和提高光电转换效率。表面等离子体极化激元 (SPP) 是一个特别有效的能量传输机制, 因为入射光转变成SPP沿着金属界面横向传播, 传播距离是装置厚度的数百倍并且被引导至活性层, 提高了活性层的陷光能力。
3 研究进展
3.1 纳米颗粒对光电转换效率的提高
3.1.1 金属纳米颗粒金、银提高光电转换效率
金属纳米颗粒金、银放在有机太阳能电池的缓冲层, 利用金属纳米颗粒周围的表面等离子体激元共振产生的局域场增强效应, 从而增强纳米粒子周围活性层的光吸收, 促进激子的解离, 提高电池的光电转换效率。
2008年, Morfa等人[6]报道将银纳米颗粒沉积在P3HT:PCBM体异质结太阳能电池缓冲层PEDOT:PSS之下的铟锡氧化物ITO上, 如图4所示。在AM1.5光谱下, 1nm厚银膜的电池与参考电池相比, 短路电流密度从4.65 mA/cm2增加到6.93 mA/cm2, 增加1.49倍, 光电转换效率从1.31%增加到2.23%, 增加了1.70倍。观察到在2nm厚银膜的电池中, 短路电流密度增加最大, 从4.65mA/cm2增加到7.33mA/cm2, 增加1.58倍。当银膜的厚度超过2nm时, 观测到短路电流密度呈下降趋势, 效率也降低。实验结果表明电池性能的提高受纳米颗粒尺寸的影响。另外观察到在大于500nm的波长处, 有银膜的电池 (除了4nm厚的银膜) 的外量子效率增加较强。这是因为银纳米颗粒表面产生局域表面等离子体激元共振, 加强了活性层的光电场, 促进光吸收, 电池的光电转换效率相应得到提高。
2008年, Kim等人[7]利用脉冲电流沉积大小一致的13nm银纳米颗粒在P3HT:PCBM体异质结太阳能电池的缓冲层PEDOT:PSS中, 如图5所示。实验得到电池的能量转换效率从3.05%增加到3.69%, 这主要是因为受激的表面等离子激元附近的电磁场的加强, 使得活性层共轭聚合物的吸收加强从而增加了光电流密度。在波长大于400nm时也观察到了增加的外量子效率, 这与银纳米颗粒的表面等离子激元共振带有关。
2009年, Chen等人[15]利用直径30~40nm的金纳米颗粒与体异质结有机太阳能电池的缓冲层混合, 发现电池的短路电流密度、填充因子、能量转换效率均有不同程度的提高。通过进一步研究得出, 金纳米颗粒激发的表面等离子体激元共振不但提高了激子的产生率而且促进了激子的解离。
2009年, Lee等人[16]通过金纳颗粒表面等离子体激元效用, 把金纳米粒子嵌入P3HT:PCBM体异质结太阳能电池的PEDOT:PSS层提高了电池效率。
2011年, Qiao等人[17]研究球形金纳米颗粒提高聚合物有机太阳能电池性能, 用直径约为5nm、15nm的金纳米颗粒掺入有机太阳能的缓冲层, 结构如图6所示, 实验发现有15nm Au的电池与没有Au的电池相比, 短路电流密度从66.79A/m2增加到74.39 A/m2, 填充因子从39.2%增加到44.8%, 能量转换效率表现出一个显著的提升, 从1.99%增加到2.36%, 提高了20%。这是因为在金纳米颗粒周围, 局域表面等离子体激元共振引起很强的局域场增强, 从而增强金纳米颗粒周围活性层的光吸收, 增加了激子的产生和解离, 提高了太阳能电池的性能。实验中发现掺入直径5nm的金纳米颗粒的太阳能电池的能量转换效率没有明显的提高。实验结果表明电池性能提高依赖于纳米颗粒的尺寸。同时通过模拟显示较大的金纳米颗粒产生更强的表面等离子体激元共振效用与实验结果吻合。
2011年, Qu等人[18]采用有限元法 (FEM) , 用三维模型对银纳米粒子等离子体激元在有机薄膜太阳能电池中光吸收增强机理进行了研究, 如图7所示。模拟银纳米粒子沉积在电池的不同位置, 结果表明基于LSP的场增强效应的光吸收增强起着主导作用。银纳米粒子在PEDOT:PSS和P3HT:PCBM层的界面之间, 光吸收增强可达100%以上, 比银纳米粒子完全嵌入P3HT:PCBM活性层的高。通过模拟电池中电场强度分布, 银纳米粒子在界面时, LSP共振激发不仅在短波长 (约λ0=450nm) , 而且在长波长区域 (约λ0=650nm) , 由于银粒子和两种材料同时直接接触。虽然λ0=450nm的LSP激发在非活性的PEDOT:PSS层, 其LSP共振可扩展到P3HT:PCBM活性层。由于两个峰的LSP共振效应, 因此银纳米粒子在界面时等离子体激元的加强效用可扩展到较宽光谱范围 (350-700nm) 。
2012年, Spyropoulos等人[19]在液体中利用超快激光烧蚀产生无表面活性剂的金纳米粒子, 将其嵌入有机太阳能电池的活性层进行研究, 如图8所示, 发现掺入金纳米粒子的最佳浓度为5%时, 短路电流增加18%, 填充因子增加19%, 开路电压保持不变, 能量转换效率提高40%。使用无表面活性剂的纳米粒子, 通过消除发生在化学合成的有表面活性剂的纳米粒子中的激子重组路径, 可能是抑制激子淬灭的一个有效方法。超快激光烧蚀法产生的粒子尺寸相当广泛, 小粒子的局域表面等离子体激元共振和大尺寸粒子的多重散射效用, 加强了活性层俘获光和激子产生率, 因此效率提高。IPCE的光谱增强范围符合嵌入在活性层的金纳米粒子的消光谱 (理论上) , 这表明局域表面等离子体激元共振效用对提高效率起主要作用。
3.1.2 铝纳米颗粒
2011年, Kochergin等人[20]在含有铝、银和金纳米颗粒的活性层的有机太阳能电池装置中模拟吸收加强。他们选择P3HT:PCBM和PCPDTBT:PCBM作为活性层物质, 用Bruggeman的有效介质近似模拟估计纳米复合材料的吸收。理论模拟结果显示, 金和银纳米颗粒的等离子体带与P3HT:PCBM的吸收带重叠不理想。而铝提供更好的性能, 因为铝等离子体频率比银和金的高得多, 保证铝等离子体共振与有机半导体的吸收带更好的重叠, 所以铝纳米颗粒比银或金产生更显著的吸收加强。进一步模拟得到, P3HT:PCBM活性层中含铝纳米颗粒约为11%时, P3HT:PCBM层吸收增加约50%。PCPDTBT:PCBM活性层中含铝纳米颗粒约为15%时, 吸收增加接近60%。并且通过在嵌入铝纳米颗粒的P3HT:PCBM电池的实验中证明了吸收的加强, 与数值计算模拟结果吻合。
2012年, Zhang等人[21]采用有限差分时域 (FDTD) 方法对铝、银和金纳米颗粒在硅薄膜太阳能电池中等离子体激元陷光进行模拟。由于铝表面等离子体共振位于紫外线范围内, 与太阳光谱匹配的宽带光吸收增强。模拟结果, 当直径为150nm、表面覆盖为30%铝纳米粒子的光子吸收增强28.7%, 比加入银或金的电池吸收增强大的多。进一步模拟得到, 有氮化硅防反射涂层的电池, 铝纳米粒子可以产生42.5%吸收增强, 比只有标准的氮化硅防反射涂层的吸收增强高4.3%, 这是由于增加在蓝光和近红外光区的吸收。
3.1.3 磁性纳米粒子应用于有机太阳能电池
研究人员在利用金属纳米粒子促进有机太阳能电池光吸收的同时, 对磁性纳米粒子应用于有机太阳能电池也开展了研究。磁性纳米粒子的强顺磁性产生的磁场效应增加了三重态激子的数量, 可以加强有机太阳能电池的光伏过程。
2008年, Shakya等人[22]报道通过15mT磁场加强P3HT:PCBM体异质结聚合物太阳能电池性能, 因为增加了三重态激子的数量, 增加激子解离效率, 光电流增加了9%。2009年, Lei等人[23]相似地利用磁场增强了P3HT:PCBM体异质结聚合物太阳能电池的光电流。
2011年, Zhang等人[24]首次将经过表面活性剂油酸处理的Fe3O4磁性纳米颗粒加入P3HT:PCBM体异质结聚合物太阳能电池的活性层, 如图9所示。在掺入1%OA-Fe3O4时, 电池的短路电流密度为9.55mA/cm2, 增加了14%, 能量转化效率为3.10%, 增加了18%。实验研究确定, 这是由Fe3O4磁性纳米颗粒的强顺磁性产生的磁场效应增加了三重态激子的数量, 因此短路电流密度增加。在P3HT中三重态激子寿命 (10us) 比单态激子寿命 (约300ps) 长, 对应三重态激子扩散长度 (约100nm) 比单态激子扩散长度 (报道的3-6nm) 大的多。这有助于三重态激子扩散到给体/受体界面, 加强了有机太阳能电池的光伏过程。另外通过把Fe3O4磁性纳米颗粒掺入PEDOT:PSS缓冲层和P3HT:PCBM活性层进行比较, 掺入PEDOT:PSS缓冲层的短路电流密度、能量转化效率均只有微小的增加。因为Fe3O4磁性纳米颗粒没有掺入活性层, 不能有效影响三重态激子数量。实验进一步确定Fe3O4磁性纳米颗粒只有掺入活性层才可获得此效应。
3.2 光子晶体 (金属纳米规则结构) 的应用
研究人员在利用随机分布的金属纳米颗粒促进有机太阳能电池光吸收的同时, 对光子晶体应用于有机太阳能电池也开展了研究。使用电子束光刻 (EBL) 方法制造金属纳米规则结构 (光子晶体) , 可以精确控制纳米粒子阵列的参数, 如颗粒大小、形状、长宽比、和阵列周期, 这些参数都影响共振特性[25,26,27,28]。因此光子晶体应用于有机太阳能电池, 有利于研究增强机制、便于使用适当的仿真模型跟踪和优化增强机制, 从而为有机太阳能电池制定设计指引。
2009年, Tumbleston等人[29]论证了在P3HT:PCBM与纳米ZnO的界面上分别制备出一维和二维光子晶体的结构, 使得P3HT:PCBM的吸收分别提高了20%和14%, P3HT:PCBM界面处激子的产生分别提高了26%和11%。同年, Ko等人[30]利用印刷技术把有机太阳能电池的活性层TDPTD:PCBM制作成阵列周期为400nm的二维光子晶体, 阵列的间隙中充填纳米ZnO, 再在表面覆盖一层Al, 如图10所示, 实验发现其能量转换效率提高了约70%。
2011年, Diukman等人[31]通过电子束光刻 (EBL) 方法制备金纳米光子晶体, 金纳米圆盘阵列从电池的前电极延伸进入活性层。金纳米阵列高100nm、直径100nm、阵列周期为400nm。制备的电池如图11所示, 其中的插图显示金属纳米阵列扫描电子显微镜图像。
Iddo Diukman等人实验发现有金纳米粒子阵列的电池在550nm和750nm之间外量子效率广泛增强, 在波长660nm处观察到较大的增强峰 (提高53%) 、在710nm波长处较小的峰提高33%。电池的短路电流增加了3.5%。
同时采用有限差分时域 (FDTD) 方法对电池进行了全面模拟, 得出:
(1) 在680nm和785nm有两个增强的吸收峰, 两个增强峰位置和实验结果之间相吻合。
(2) 在680nm和785nm两个吸收加强峰的电场强度分布如图12所示。在λ=680nm处是等离子体激元共振的局域场增强引起吸收增强, 如图12 (a) 所示, 在粒子的附近显示了非常强的局域场增强, 特别是四角处等离子体激元共振, 其凸角在PE-DOT:PSS和P3HT:PCBM中从而增强吸收;在λ=785nm处的共振是圆形纳米天线腔模式引起的吸收增强如图12 (b) 所示, 能量主要俘获在P3HT:PCBM层, 增强了活性层的光吸收。
2011年, Devi等人[32]在聚合物太阳能电池的ITO和PEDOT:PSS之间加入金纳米网孔, 电池结构示意图如图13所示。光电流密度从7.02 mA/cm2增加到14.2 mA/cm2, 能量转换效率从1.9%提高到3.2%, 提高了约68%。测量外量子效率光谱, 发现在580nm处光电流转换效率加强, 与在消光光谱上观察到的580nm处的峰值相吻合, 表明表面等离子体激元增强光电流。
3.3 表面等离子体极化激元
表面等离子体极化激元 (SPP) 是一个特别有效的能量传输机制, 入射光被转换成SPP, SPP是沿着金属和半导体界面传播的电磁波。在这种结构中入射光被有效地变化90°, 光沿着太阳能电池的横向被吸收, 具有数量级大于光学吸收长度的吸收尺寸。因此SPP在半导体吸收层能有效的陷光和导光。
2007年, Mapel等人[33]在CuPC/C60双层异质结有机太阳能电池中引入Kretschmann结构如图14所示, 在波长为532nm单色P-偏振激光照射下, 银阴极与空气的界面上产生了SPP波。实验结果发现在表面等离子体激元共振处, 电池的外量子效率提高至12%, 光电流增加约200%, 主要是因为等离子体极化激元作用下光吸收大量的增加。
2007年, Heidel等人[34]在CuPC/C60有机太阳能电池中引入红荧烯天线谐振腔, 提高了光吸收, 如图15 (a) 所示。图中的125nm厚的谐振腔天线层由透明的咔唑联苯 (CBP) 中掺入30%的红荧烯和2%的DCJTB构成。谐振腔中天线吸收的光通过表面等离子体极化激元耦合到光伏电池。模拟计算结果能量转换效率ηET=31%, 实验得到ηET= (25±10) %, 两者相一致。实验中发现在吸收光谱的Q带和Soret带之间的间隙, 电池的外量子效率得到增加。因此, 谐振腔中的天线结构增强了共振时光伏电池的性能。
为了减少在测量ηET的不确定性, Heidel等人制造一个有机超晶格光电探测器和没有谐振腔的天线结构, 如图15 (b) 所示。这种结构也应该加强ηET, 因为它允许较厚的酞菁铜层同时保持高内量子效率ηIQE, 从而增加载流子产生层对SPP的吸收。由测量数据计算得到能量转换效率ηET= (51±10) %, 高于图15 (a) 中谐振腔天线结构的ηET。研究中发现SPP在银层的损失显著, 但通过减小银阴极厚度可使损失最小化。Heidel等人研究工作中ηET值的增加, 是界面处的银层厚度的减小及有机半导体中SPP吸收的增加所致。
目前, SPP主要应用于无机太阳能电池中, 以SPP模式改善有机太阳能电池的报道相对较少, 有待研究人员进一步探索。
4 结论与展望
表面等离子体激元作为一个新颖的技术应用于有机太阳能电池中, 在不改变有机吸收层的厚度就能增加有机太阳能电池的光吸收能力, 提高能量转化效率, 具有非常独特的优势, 吸引着越来越多的科技工作者投身到相关的研究中。在这一研究领域中, 充满着机遇和挑战。很多问题有待于解决, 比如:
(1) 需要找到一种高效、方便的方法将金属纳米结构植入到有机太阳能电池中。目前, 在实验室中研究人员一般使用电子束刻蚀、聚焦离子束等方法在有机太阳能电池中制作金属纳米结构。但是, 上述方法具有产量低、工艺限制等缺点无法实现量产。世界上一些研究小组正在寻求解决的方法, 并提出了一些可行性的方案, 但仍有一段相当长的路要走。
浅析光电转换的工作原理及应用 第5篇
关键词：光电效应,伏安特性,运放
1、引言
光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电传感器的主要部件。光电器件工作的物理基础是光电效应。在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻、光敏二极管等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应, 即阻挡层光电效应, 如光电池、光敏晶体管等就属于这类光电器件。
光电检测技术及系统, 也是国际、国内前沿的应用课题。主要应用于光电信息与图像检测技术及系统、光衍射检测技术及系统、光学扫描检测技术及系统、嵌入式图像检测技术及系统、光纤传感检测技术及系统等。
本文主要介绍光敏晶体管的原理及应用, 并介绍相应器件的选型比较。
2、原理分析
对于光敏二极管而言, 其结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中, 其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态, 如图1所示。在没有光照射时, 反向电阻很大, 反向电流很小, 这反向电流称为暗电流。当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, 使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动, 形成光电流。光的照度越大, 光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时, 处于截止状态, 受光照射时, 处于导通状态。图2为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线, 当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时, 集电结就是反向偏压;当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加, 因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管有放大作用。
以硅为材料的光敏管 (图2所示电路) 在不同照度下的伏安特性曲线如下图3。
通过温度试验, 发现温度变化对光电流影响很小, 而对暗电流影响很大, 所以在电子线路应用中应该对暗电流进行温度补偿, 否则将会导致输出误差。
此外, 把光敏管作为测量元件时, 应把它当作电流源的形式来使用, 不能用作电压源。
3、应用
光电转化的应用非常广泛, 本文就内光电效应的应用略做总结。被测物发出的光投射到光电器件上, 光电器件输出反映光源的参数 (如光照度计) ;恒光源穿过, 部分吸收, 部分由光电器件吸收, 吸收量反应被测物参数;恒光源投射到被测物体, 反射被接受 (粗糙程度的检测) ;恒光源照射过程中部分被遮, 光电器件的接受情况反映尺寸。当然, 还有其它一些对上述应用的变换, 例如在高压电力行业, 用光纤环绕在高压线路上, 光纤一端接激光发生器, 另一端用光电转换电路做监测, 利用供电线路上交流工频电流产生的磁场可以影响光的偏转角度, 从而光束的传播方向发生变化 (与原传播方向产生夹角) , 使的光束在原方向的光强因偏斜而减小, 从而影响产生的光电流, 可以利用电流大小变化造成的最终电路电流、电压的变化逆推光束角度的变化, 进而知晓线路电流的变化。在高压 (110kV以上) 取代现在的传统油绝缘电流互感器, 产生新一代的磁光电流互感器。
在具体的应用中, 因为通常情况下能够利用的光强都较弱, 在合理的放大电路处理后, 信号才可以作为进一步处理的基础, 否则运放自身的噪音, 零飘, 器件的精度都会影响到信号的检测。
图4是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ, 亮电阻为0.2MΩ (光照度0.01W/m2下测试的) , 峰值响应波长为2.2μm。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路, 其偏置电压约为6V, 电流约为6μΑ。V2管集电极电阻两端并联68μF的电容, 可以抑制100Hz以上的高频, 使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器, 火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后, 器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度, 保证火焰报警器能长期稳定地工作。
4、光电转换器件的选型
光电转换的核心是光电管。选择时要考虑以下三点: (1) 材料对其的影响表现在可测光的频段范围上, In (铟) 、Ga (镓) 、As (砷) 材料的光电转换器件适用于800~1700nm的光谱范围, Si (硅) 材料的大约在450nm, Se (硒) 材料的只能在0.34~0.57nm范围内适用; (2) 半导体材料工作的噪声及温漂对其测量范围的影响; (3) 光电转换器件的输出曲线特性最差时误差。
5、结语
光电信息技术是将光学技术、电子技术、计算机技术以及材料技术相结合而形成的一门高新技术。光电信息技术的发展不仅改变了人们的工作、学习和生活方式, 也推动了新的产业革命和新兴学科的形成。光电检测技术及系统是光电信息技术的主要技术之一, 它以其非接触、高精度、高速度、实时等特点成为现代检测技术最重要的手段和方法之一, 在工业、农业、军事、航空航天以及日常生活中皆有着具有良好的应用前景。
参考文献
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[3]刘斌, 张秋蝉.光电检测前置放大电路的设计[J].燕山大学学报, 2003, 27 (3) :194-196.
光电转换效率 第6篇
应用物理学及材料学教授HarryAtwater和HowardHughes表示:“这些太阳能电池首次突破了传统的吸光材料的光捕获极限。”新型太阳能电池所采用的硅线阵列对单一波长的入射光的吸收率高达96%, 对全波长阳光的捕获率可达85%。
Atwater指出:“许多材料对光线的捕获能力很好, 但是却无法转换成电能, 比如黑涂料。对于太阳能电池来说, 吸收的光子能否转换为电荷载子 (Chargecarrier) 也非常重要。”而他们研发的硅线阵列太阳能电池则可以将所吸收光子的90%～100%转换为电子。从技术上讲, 这种阵列拥有几近完美的内部量子效率 (Internalquantumefficiency) 。
Atwater总结说:“对光的高吸收率和较好的转换能力成就了这种太阳能电池的高质量。”
光电转换效率 第7篇
自从2003年以来，某电网的继电保护通道便进行了大面积的光纤化改造，并且使全省500kV的线路都能实现了双光纤通道，同时，220kV线路的继电保护通道都实现了百分之九十的光纤覆盖率。通过几年不断地完善和调整，通信和继电保护人员对整个系统中的薄弱环节采取了相应的完善措施，现如今，光纤保护通道已经能良好运行，从而为该电网的安全运行创造了条件。
1 光纤继电保护通道的运行现状
现如今，该电网的光纤继电保护通道采取的主要形式为光纤2Mb/s和64kb/s复用通道以及专用的纤芯通道，其中2Mb/s复用通道也是未来技术的发展方向。不管是2Mb/s，还是64kb/s的复用通道都使用了能进行双电源供电的继电通道切换装置。通过对不同光端机、光缆路由以及由不同通信电源设备构成的两个独立2Mb/s的电路传输加以利用，不管是光设备、光缆，还是电源设备故障，都能够确保继电保护通道迅速恢复正常，进而使通道可靠性得到提升。光纤继电保护的信号传输，必须通过光电转换装置将之转换成非成帧的2Mb/s或64kb/s电信号，然后通过继电保护通道切换装置的两条独立光通道来完成。然而，在光纤继电保护的复用通道里面，有一个重要环节非常薄弱，也就是在通信机房中安装的光电转换装置使用了单48V电源的供电形式。通常情况下，由于通信站的电源出现问题，造成该电源供电下的转换装置出现停电情况，与此同时，导致多线路的保护通道被中断。在近几年的运行过程中，已经出现了很多与之相似的通道中断事故。
2 对比光电转换装置的供电方式
现如今，该电力通信网的继电保护通道切换装置、主网通信PCM、主干SDH/2.5G等的电源都采用双48V电源模式，虽然调度程控的交换机设备的接入形式为单电源，但它也使双48V电源改造为双电源的供电形式得到了增加，从而使运行的可靠性得到了极大的提升。但通信机房附近的转换器仍旧采用单路供电方式，该站的第一套保护装置的转换设备电源分配模块由通信电源的空气开关提供。
随着变电站不断增加其保护通道，致使光电转换装置的设备也在不断增多。现如今，大多数变电站的光距和光差通道已经接近二十条，假如其中任何一套电源产生故障，都会导致十台光电转换装置一起断电，进而使得十条线路的继电保护全都变成单通道形式，从而给电网造成极大的安全隐患。由此可知，在继电保护的光电转换装置中使用双电源的供电形式已成为必然趋势。
目前采用的转换设备仅仅提供一路供电接口，我们需要探讨的便是怎样在此基础上使双电源的供电模式得以实现。
除开第一套电源之外，双重化的配置电源供电方式可由第二套电源同时供给该模块的48V电源。同第一路电源一起构成双电源的供电形式，能使一路电源因为故障而造成的转换装置无法正常运作的现象得以避免。在双重化配置电源中使用双直流的电源供电形式。其供电模式如右图所示：
通信机房的二套开关电源供电由二路220V/380V交流电源来完成，在整流开关电源之后变成48V，双重化配置的电源由二套开关电源提供一路48V电源。二路输入电源在双重配置电源的作用下经两个大功率的二极管隔离，以便让光电转换设备能够使用。这种方式能使供电可靠性得到极大的提升，并能将一个机柜里同类设备供电安全问题得到解决。
按照双重配置电源的要求，根据实际状况，使用双路直流配电箱。其工作原理如下：此设备的正极直流输入为二路48V，二路负极直流输入端串联了大功率二极管，电流为200A，耐压是100V，反向电压则为1200V。在二路直流输入正常的情况下，由电压比较高的一路或者二路为负载供电，如果一路供电产生问题，那么就由二路来进行正常的供电。
3 双电源供电形式的模拟实验
3.1 测试电路的组成为保证接入的双电源供电是可靠和可行的，同时对双电源设备的实用性和技术指标进行验证，通信人员通过在机房进行模拟测试平台的搭建，它的目的就在于在隔离二极管被损坏之后，检测双直流配电箱是否会对电源设备以及所带负载形成不良影响。
两只20A的空气开关与两只大功率的隔离二极管共同构成测试电路，其负载则属于直流电阻。
3.2 对二路48V电源进行模拟并正常供电在负载中接入直流配电箱，两路电源试验中所用的两只20A开关全都处在开路状态。第一路的输入电压介于53.9至52.8之间，并逐渐降低;第二路的电压则一直处在52.8V，这时其负载电流是3A，而负载电压则由53.2V开始随着第一路电压的降低而降低。起初第一路电流是3A，也就是说二极管能正常导通，第二路电流则为0A，也就是二极管的正反向都截止。在第一路与53V接近时，第二路便产生正向导通的电流，直到电压在52.8V正常导通为止。由此可知，在电压维持一致的情况下，二路电源的二极管都正向导通并且一起工作，当二路电压的压差超过0.2V时，具备较高电压的线路工作，而另一路则产生正向截止，这时二路电源的二极管都出现反向截止的情况，也就是二路电源产生隔离。
3.3 对第一路二极管的击穿进行模拟第一路的输入电压为53.9V，而第二路的电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。当第一路20A空开处在闭合模拟状态下时，第一路二极管被击穿，这时的负载电压是53.9V，而第二路52.8V电压的正反向都出现截止现象。由此可见，具有较高电压的二极管击穿，其负载电压也由53.2V上升至53.9V，此时正向导通电压下降0.7V，没有对负载以及第二路形成不良影响。
3.4 对第二路二极管的击穿进行模拟第一路的输入电压是53.9V，而第二路电压的输入电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。在第二路20A空开处在闭合模拟时，第二路的二极管被击穿，这时的负载电压还是53.2V，并且第一路的二极管是处在正向导通状态的，对其进行反向截止，则第二路形成反向电流。由此可知，具有较低电压的二极管击穿，其负载电压依旧是具备较高电压的第一路。因为第一路电压比第二路电压大，所以只会对第二路进行反向充电，而不会对负载形成不良影响。
3.5 模拟的两路二极管全被击穿第一路的输入电压是53.9V，而第二路电压的输入电压则为52.8V，这时的负载电压是53.2V，负载电流是3A。在第一路和第二路的20A空开都处在闭合模拟状态时，对第二路二极管的击穿进行模拟，这时两路都有电流通过，并且负载电压还是53.9V。由此可得知，二路二极管均消失，并且负载工作正常，并且由二路电源电压比较高的位置向一路电压较低的地方进行反向充电，但其并未对负载形成任何不良的影响。
4 结语
在光纤继电保护的光电转换装置中使用双电源方式进行供电，无论产生任何工况，此种运行方式都不会对负载造成任何不良影响，就算是二路二极管被全部击穿也只会导致二套电源的高压电源向低压电池进行反向充电的情况。由此便可得知，此种方式能使继电保护通道提升可靠性和安全性。总而言之，要想解决问题，要想使电网得到发展，就必须对双电源供电方式加以正确使用，同时对电力通信网络资源加以合理利用，并采取科学的网络理论来进行问题的分析，进而使双电源供电方式得以正确建立，并最终达到使双电源供电方式运行效率得到提升的目的。
参考文献
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[4]张德民, 刘洪锦, 高强, 王旭.电梯双电源供电装置PLC控制系统设计[J].电气传动, 2012, 08:68-72.
光电转换效率 第8篇
目前多型号的飞机已采用光信号的DVI数字视频信号进行平显及下显画面输出, 优点在于信号传输稳定、画面分辨率高、图像稳定性好。但由于属于光信号输出, 而通用的采集器只能采集电信号的DVI数字视频, 使用已往的测试设备已无法满足光信号DVI数字视频的抽引与采集测试需求, 需要采用新研设备光线视频光电转换分配器, 将机上DVI视频光信号转换为DVI视频电信号与VGA视频电信号, 再进入采集器进行抽引与记录, 完成机载视频测试任务。
1 概述
光纤视频光电转换器 (以下简称“光电转换器”) 主要功能包括如下两方面。
(1) DVI视频光信号的光电转换功能。光纤视频光电转换器可接收3路DVI视频光信号, 实现3路DVI视频光信号的光电转换功能。每路DVI视频光信号传输链路由4芯多模光纤组成, 共输出3路接口相同的DVI视频电信号、3路VGA视频电信号 (75Ω阻抗, 幅值1Vpp) 。
(2) DVI视频电信号的D/A转换功能。光纤视频光电转换器可接收1路DVI视频电信号, 并原样输出1路DVI视频电信号和转换输出1路VGA视频电信号 (75Ω阻抗, 幅值1Vpp) 。
2 技术要求
(1) 信号输入:3路DVI视频光信号, 1路视频电信号, 分辨率不低于1 280×1 024@60Hz, 向下兼容1024×768@60Hz;
(2) 信号输出:4路DVI视频电信号和4路VGA视频电信号两种模式;
(3) 视频信号经转换后无偏色、抖动和拖尾;
(4) 当输入视频信号异常中断且恢复后, 设备应立即自动扫描、锁定、捕获信号, 并重新输出视频信号;
(5) 无信号输入时, 设备输出彩条或测试画面;
(6) 波长:850nm;
(7) DVI视频光信号输入插座针脚定义为:1 (B) 、2 (G) 、3 (R) 、4 (CLK) ;
(8) 工作电压:+18~32VDC;
(9) 具有大于50ms掉电保持, 具有过压、过流保护功能。
3 工作原理
光纤视频光电转换器主要实现两个功能。
一是对DVI光信号的接收与处理:接收3路DVI光信号, 并将每路DVI光信号转换为1路DVI电信号和1路VGA电信号;
二是对DVI电信号的接收与处理:接收1路DVI电信号, 并将其转换为1路DVI电信号、1路VGA电信号。
4 分配器设计
4.1 光纤视频光电转换器硬件电路设计
如图1所示, 光纤视频光电转换器硬件电路主要包括电源转换模块、光电转换模块、FPGA高速信号分流模块、DVI解码模块以及VGA数模转换模块。
4.1.1 电源转换模块电路设计
电源模块主要是转换外部输入电源后, 为光纤视频光电转换器内部元器件提供所需的电源。选用的是DC-DC电源模块, 对本方案外部输入电源进行转换处理。该模块电源特性如下。
(1) 输入电压:18~36VDC;
(2) 输出电压:5VDC;
(3) 输出电流:10A;
(4) 输出功率:50W;
(5) 具有短路保护功能;
(6) 效率:≥80%。
在DC-DC电源模块输入端串联一个肖特基二极管, 可以有效防止电源反接, 同时在电源模块输入端并联一个瞬态抑制二极管, 可有效抑制输入电源浪涌以及瞬时电压过大。
4.1.2 光电转换电路设计
光电转换模块主要是将接收到的DVI光信号转换为DVI电信号, 以便后面的FPGA电路进行信号分流处理。光电转换模块选用12路并行接收光模块。此光模块还具有以下特点:
(1) 中心波长:850nm;封装:SANP12;
(2) 接收灵敏度:≤-16d Bm;
(3) 传输速率:3.125Gbps;
(4) 工作温度:-40℃~+85℃。
4.1.3 FPGA高速分流电路设计
利用FPGA解码得到的RGB、HS、VS、DE, 不能直接传递至VGA数模转换芯片进行D/A变换。VGA数模转换芯片需与DVI解码芯片配合才能将DVI转换为VGA信号。分析其原因, DVI解码芯片在DVI信号解码时对得到的数字信号进行色度空间变换, 现在利用FPGA仅仅实现分流功能, 不去实现将DVI信号解码成能被后一级利用的多路数字信号。
对于接收到的高速TMDS差分信号 (约1Gbps) , 由于其速率太高, 不能对其进行直接的分流, 必须将该信号进行串并转换, 降为低速信号后分别进行并串转换, 则可得到两路TMDS信号。分别对四路TMDS差分信号进行该功能处理后便可得到两路DVI视频信号, 为后续的处理提供信号支持。
为了满足该项目所要求的高分辨率和高传输速率等指标, 主要采用FPGA作为信号处理的核心器件。FPGA器件的特点是具有丰富的连接功能、低功耗、低成本、低风险。该器件支持高达150K逻辑密度, 4.8Mb存储器, 可提供多达8个3.125Gbps收发器和一个集成的PCI Express兼容内核, 同时采用了创新的基于开放标准的配置, 尤其是具有极强的嵌入式系统处理能力和终极互联能力, 可灵活构建高带宽接口, 强大的功能确保了设计余量。
4.1.4 DVI解码电路设计
经过FPGA芯片后, 一路DVI信号转换输出两路DVI信号。其中一路DVI信号经过DVI解码芯片转换为RGB、HS、VS、DE共27位数字信号, 另一路DVI信号通过接口连接器输出至显示设备。
对于DVI解码部分, 选用DVI专用视频解码芯片, 将1路DVI视频数字信号解码为24位的R、G、B信号, 以及行场频和像素时钟信号, 以便对后面的VGA数模转换芯片进行处理。
4.1.5 VGA数模转换电路设计
经过DVI解码芯片后, DVI信号转换为24位的R、G、B信号, 以及行场频和像素时钟信号, 经过数模转换将数字VGA信号转换为模拟VGA信号。
数模转换模块负责将DVI解码模块输出的VGA数字信号转换为VGA模拟信号, 并且通过VGA接口与显示器相连, 实现VGA图像信号的同步显示。VGA视频信号是由计算机输出的R、G、B三基色信号和行、场同步信号组成。其中R、G、B信号是模拟信号, 电平为0.7~1.0VPP, 行同步信号HS和场同步信号VS为TTL电平。该部分选用专用的视频图像解码芯片完成。该芯片是一款单片三路高速模数转换器, 它包含三路具有补偿输出的高速8bits视频DAC, 广泛应用于数字视频系统、高分辨率图像、图像处理以及视频信号重建等系统中。24位的RGB数字分量必须通过D/A模数转换为模拟信号, 330MSPS的转换吞吐率完全可以满足1 280×1 024@60Hz的数字图像视频转换为VGA信号的模拟带宽需求。
4.2 光纤视频光电转换器软件设计
FPGA芯片在该项目中具备重要的功能, 主要实现高速信号的分流功能, 对于接收到的高速TMDS差分信号, 由于其速率太高, 不能对其进行直接分流, 必须将该信号进行串并转换, 降为低速信号后分别进行并串转换, 则可得到两路TMDS信号。分别对四路TMDS差分信号进行该功能处理后便可得到两路DVI视频信号, 为后续的处理提供信号支持。
同时FPGA在信号输入端对DVI的时钟信号有无进行判断, 当无法检测到时钟信号或者时钟信号异常时, 在FPGA内部进行处理并输出彩条信号。
4.2.1 DVI解码模块
在DVI解码模块, 要完成几个功能, 首先是对于时钟的处理, 将输入时钟由差分信号解码为单端时钟信号, 然后送进DCM对其进行倍频, 生成输入时钟的5倍和10倍时钟以供TMDS信号解码时用, 然后是对于像素信号TMDS进行处理, 用10倍像素时钟对该TMDS信号进行串并转换, 将TMDS信号解码为1/10速率的10位并行信号。由于蓝色10位并行数据中包含着场频、行频、消隐信号DE和蓝色像素数据, 因此, 在解码时要对其进行特殊处理, 在10位并行数据中按照TMDS解码规则对其进行解码, 得到场频、行频、消隐信号DE和8位蓝色像素数据。对其他两路像素信息 (红色和绿色) 进行相同的处理, 将10位并行数据按照解码规则解码为8位并行数据。至此, 则得到27位并行数据 (B (7:0) , G (7:0) , R (7:0) , HS, VS, CLK) , 其速率为串行信号的1/10, 可以直接将其连接到两个编码模块。
需要强调的是, 在对时钟进行处理的过程中, 使用了FPGA芯片所带的硬件资源, 即锁相环, 用来生成像素时钟的2倍、5倍和10倍频时钟信号, 该锁相环支持对固定时钟进行相应分频或者倍频操作, 当输入时钟发生变化时, 就会出现失锁的情况, 此时必须给锁相环一个复位信号, 让锁相环重新工作, 对于新输入的时钟信号重新进行相应的分频或倍频处理, 对应的实际的情况就是, 当像素时钟发生变化时 (即分辨率发生变化时) , 锁相环出现失锁的情况, 根据此时检测到的信号状态, 生成一个锁相环复位信号, 让锁相环重新工作。考虑到如果是外部复位按钮的话, 复位时间大约为几十毫秒。所以在设计该复位信号时, 为了保证锁相环工作的稳定可靠性, 通过固定晶振产生时钟的计数, 将复位时间的延时控制在50ms左右。
通过串并转换将高速串行信号转换为低速并行信号后, 根据TMDS解码规则, 可以将10位并行数据解码为10位控制数据或者是像素数据, 对于蓝色像素数据的处理和红色绿色像素数据的处理稍有不同, 主要表现在对控制信息的处理上, 按照约定, 蓝色像素数据中包含相应的控制信息, 其他两种像素数据中则不包含相应的控制信息。对应于软件处理流程, 三种像素数据的处理流程完全相同, 通过解码器均可将10位并行数据解码得到10位控制信号和8位像素数据, 不同的是, 保留蓝色像素数据解码得到的控制信号作为整个像素数据的控制信号, 丢弃其他两种像素数据解码得到的控制信号。
至此, 通过软件处理, 可以把接收到的TMDS高速差分信号进行串并转换和TMDS解码, 最终可以得到R[7:0]、G[7:0]、B[7:0]和控制信息以及像素时钟等较低速信号。
4.2.2 DVI编码模块
对于DVI编码模块, DE信号 (消隐信号) 有着极其重要的作用, 当DE为1时, 为有效时间区域, 输入的视频信号是有效的数据, 在这个时间内, DVI编码器编码的是视频信号, 此时的控制信号被忽略。而当DE为0时, 为消隐时间区, 在这段时间内, 控制信号的输入是有效的输入, 也就是说在这段时间内DVI编码器编码的是控制信号, 该时间长度要求为最少128个时钟周期, 在这段时间内视频信号被忽略。DVI编码器主要完成的任务是, 将R、G、B和控制信号以及像素时钟信号按照编码器的规则进行DVI编码, 编码为10位并行数据, 最后再经过并串转换模块, 将10位并行数据变为高速串行TMDS差分信号, 然后输出。
对于DVI编码模块中的TMDS编码部分, 主要是按照最小变化码的规则进行处理的, 即最低有效位与像素数据位的最低有效位相同, 第9位为变换方式标志位;0表示对像素数据进行异或非 (XNOR) 变换, 1表示进行异或 (XOR) 变换;将8位并行数据转为9位并行数据, 然后在第二个阶段生成10bit的直流平衡码。如果上一次编码中传输了过多的1, 而且将要传输的编码中的1比0多, 则将此次编码的低8位取反, 并在第10位置1, 否则, 在第10位置0, 第一阶段的9位编码将不做处理, 直接传输。
这种编码方式, 保证了数据在光缆上传输的条件, 同时也降低在串行电缆上传输数据时产生的视频辐射。
5 电磁兼容性设计
电源端采用专用电源转换模块, 隔离外部电源干扰;信号传输线上增加磁环, 抑制传输线引入干扰;集成电路电源引脚旁接去耦电容, 去耦电容尽量靠近芯片放置;模拟、数字器件分区放置, 抑制数字器件对模拟器件的干扰。
电源采用专用的电源模块, 外部的信号地与系统内部的地是分开的, 所以系统内的电源与外部电源相互隔离。
6 机载测试与试飞测试
对光纤视频光电转换器进行地面测试, 有DVI信号输入时, 工作正常, 无DVI信号输入时, 显示彩条。经过多次机载飞行试验, 测试设备工作正常, 采集器稳定采集到光纤视频光电转换器输出的DVI视频电信号, 满足机载座舱视频抽引、采集测试需求, 为试飞测试提供了直观的数据显示画面, 为飞行安全提供了安全保障。
7 结语
飞机座舱视频抽引采集在飞行试验中发挥着不可替代的作用。为适应新一代飞机光信号舱室视频的抽引采集测试需求, 本文介绍了一种新型光纤视频光电转换分配器, 在某型号飞机上得到了充分的验证, 转换信号稳定、连续, 能够满足科研试飞任务的型号需求。同时, 还具有十分广阔的应用空间。
参考文献
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