热光电转换过程分为2个阶段：

1、热光的转换过程

此过程实现的关键在于发射器的选择，理想的发射器要求在有效能量范围内，发射器的发射率为1，而在其他地方为0，实际只能做到在有效能量范围内发射率比较大(接近1)，在黑体辐射谱中心附近但不在有效能量范围内的频谱范围发射率比较小(接近0)。

2、光电转换

光电的转换过程和太阳能光电转换本质上是相同的，都是把能量合适的光转换成电。由于太阳能光电转换的过程已经发展得比较成熟，有现成的光电池可用，因此热光电转换过程实现中的关键问题在于热光转换的实现，即找到合适的选择发射器。

选择发射器需要有非常严格的功能特性 ，这些功能特性包括对热辐射强吸收、强自发辐射跃迁，以及耐高温(其工作在高温环境下)。所以对发射器材料的选择往往是对材料功能特性和热结构参数的综合考虑。高熔点的掺稀土离子的化合物由于稀土离子4f电子壳层独特的能级特点(有丰富的分离能级和良好的发光特性，并可以通过选择合适的稀土离子来选择辐射光子的能量范围)，是寻找选择发射器的一个重要方向。

掺稀土离子化合物的热光转换动力学分析：

在热光转换过程中，热能主要以构成材料的原子的振动(声子)的形式存在，稀土离子通过吸收多个声子激发到高电子能态，再通过发射光子(发射声子的过程也同时存在)回到低电子能态，实现了热光转化。为了简化，把稀土的所有的低能态可以近似看成一个能态，能量较低的一些可以发光的激发态也可以看成一个能态，在这种情况下就得出二能态系统模型；如果需要考虑更高的激发态，则可以得出三能态系统或更多的能态系统模型。

和太阳辐射的温度6000 K相比，普通的热源的温度一般在1800K左右(或更低)，其黑体辐射谱波长的峰值在1.61μm左右，如果采用常用的硅光电池(光子能量阈值在1.1eV，也就是最大波长是1.13μm)，可以算出发电的那部分光的能量占总辐射能量的比例不到20%，实际发电效率更低(不到10%)。除了提高光电池的光电转换效率之外，重要的是提高能用来发电的那部分辐射能量占总辐射能量的比例。实现后者的办法就是采用选择发射器。其原理就是吸收热辐射，然后发出高于光电池阈值的光辐射。整个热光电的转化过程称为热光伏效应(TPV ) 。

热光电转换过程中的能量转化有其自身的特点。热光伏效应(TPV )涉及到的典型热源的温度在1300 K~1800 K，但是单位面积上接收到的能量能够达到300kW，远远大于地球上单位面积接受到的太阳能1kW，这就是说热光电转换在单位面积上可以有更多的能量用于发电。同时，热光电转换能克服太阳能发电受地区、气候、季节和昼夜变化等因素影响的缺点，而且无噪声。

由于热光电转换发电系统相对于传统的发电系统来说具有噪声小、污染低、设备简单、稳定性好和设备寿命长等优点，在小规模的应用上相对其他热发电装置来说效率高，而且可以利用日常生活中的废热进行发电。提高利用率，所以世界各国，特别是发达国家很早就开始对热光电转换系统的探索，取得了巨大的进步。当前应用热光电转换系统的成本还是比较高，所以进一步降低成本是推广热光电转换系统的关键问题之一。当前热光电系统的应用主要在以下几个方面：

1、军事上主要利用热光电转换系统噪声小、设备简单、可靠性好和使用寿命长的特点，例如利用其可靠性好和使用寿命长的特点来提供卫星的持续动力和太空探测持续动力等；

2、民用上主要有以下几类：便携式发电机，它具有和传统发电机相当的功率，但是噪声要小得多；居民住宅混合供热和发电系统，它能够利用废热来发电和供热，提高能量的利用率；混合动力汽车以及各种独立装置等；

3、可以提高太阳能发电的效率，也是热光电转换系统应用的一个方面。

是通过光生伏特效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库，地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×10 (18次方) 千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。光电转换材料的工作原理是：将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构，当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时，通过PN结将太阳能转换为电能。太阳能电池对光电转换材料的要求是转换效率高、能制成大面积的器件，以便更好地吸收太阳光。已使用的光电转换材料以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。用单晶硅制作的太阳能电池，转换效率高达20%，但其成本高，主要用于空间技术。多晶硅薄片制成的太阳能电池，虽然光电转换效率不高（约10%），但价格低廉，已获得大量应用。此外，化合物半导体材料、非晶硅薄膜作为光电转换材料，也得到研究和应用。

半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。光电器件主要有：利用半导体光敏特性工作的光电导器件、利用半导体光伏打效应工作的光电池和半导体发光器件等。

一、 光电导器件

半导体材料的光敏特性，即当半导体材料受到一定波长光线的照射时,其电阻率明显减小,或说电导率增大的特性。这个现象也叫半导体的光电导特性。利用这个特性制作的半导体器件叫光电导器件。半导体材料的电导率是由载流子浓度决定的。载流子就是由半导体原子 逸出来的电子及其留下的空位----- 空穴。电从原子中逃逸出来,必须吉凶服原子的束缚而做功，而光照正是向电子提供能量,使它有能力逃逸出来的一种形式。因此，光照可以改变载流子的浓度,从而必变半导体的电导率。光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管光电三极管等。

1、光敏电阻

这是一种半导体电阻。在没有光照时,电阻很大;在一定波长范围的光照下,电阻值明显变小。制作光敏电阻的材料主要有硅、锗、硫化镉、锑化铟、硫化铅、硒化镉、硒化铅等。硫化镉光敏电阻对可见光敏感,用硫化镉单晶制造的光敏电阻对X射线、γ射线也敏感；硫化铅和锑化铟对红线外线光敏感。利用这些光敏电阻可以制成各种光探测器。感光面积大的光敏电阻,可以获得较大的明暗电阻差。如国产625-A型硫化镉光敏电阻,其光照电阻小于50千欧,暗电阻大于50兆欧。

2、光电二极管

光电二极管的管芯也是一个PN结,只是结面积比普通二极管大,便于接收光线。但和普通二极管不同,光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0-1微安左右。在光线照射下产生的电子----空穴对叫光生载流子，它们参加导电会增大反向饱和电流。光生载流子的数量与光强度有关，因此，反向饱和电流会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。

3、光电三极度管

光电三极管的结构与普通三极度管相同,但基区面积较大,便函于接收更多的入射光线。入射光在基区激发出电子----空穴时，形成基极电流，而集电极电流是基极电流β倍，因此光照便能有效地控制集电极电流。光电三极管比光电二极管有更高的灵敏度。

二、光伏打器件----硅光电池

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。

硅光电池就是一个大面积PN结。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型号区的积累，会在在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。

硅光电池的用途极度为广泛。主要用于下述几个方面：

能源----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。

三、半导体发光器件

半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数字管等。

1、发光二极管

发光二极管的管芯也是一个PN结,并具有单向导电性。PN结加上正向电压时,电子由N区渡越(扩散)到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现，因此，可以直接将电能转换成光能。发光二极管的发光颜色(波长)，困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管。

发光二极管工作电压很低(1 5-3伏),工作电流很小(10-30毫安),耗电极省。可作灯光信号显示、快速光源,也呆同时起整流和发光两种作用。

2、发光数字管

把磷化镓发光管或磷化镓发光管的管芯制成条状,用七条发光管组成七段式数字显示管，可以显示从0到9的十个数字。这种半导体数字显示管的优点是体积小、耗电省、寿命长、响应速度快。它可以作为各种小型计算器及数字显示仪表的数字显示用。

3、光电耦合器

把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起就组成了具有电---光---电转换功能的光电耦合器。显然,给耦合器输入一个电信号，发光器件就发光,光被光接收器件接收后，又转成换成电信号输出。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈，具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关，这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题，可靠性很高。

传感器技术中很重要的一类称为光传感器。光传感器通常是指紫外到红外波长范围的传感器，其类型可分为量子探测器和热探测器两类。本实验将介绍常用的量子探测器或称光子探测器，它是利用材料的光电效应制作成的探测器，故也称为光电转换器。其主要参数有响应度(灵敏度)、光谱响应范围、响应时间和可探测的最小辐射功率等。

　　光电转换器件主要是利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，目前各种光电转换器件已广泛地应用在各行各业。常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电倍增器、光电池、PIN管、CCD等。

光电倍增器是把微弱的输入转换为电子，并使电子获得倍增的电真空器件。当光信号强度发生变化时，阴极发射的光电子数目相应变化，由于各倍增极的倍增因子基本上保持常数，所以阳极电流亦随光信号的变化而变化，此即光电倍增管的简单工作过程。由此可见，光电倍增管的性能主要由光阴极、倍增极及极间电压决定。光电阴极受强光照射后，由于发射电子的速率很高，光电阴极内部来不及重新补充电子，因此使光电倍增管的灵敏度下降。如果入射光强度太高，导致器件内电流太大，以至于电阴极和倍增极因发射二分解，就会造成光电倍增管的永久性波坏。因此，使用光电倍增管时，应避免强光直接入射。光电倍增管一般用来测弱光信号。

　　光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用，如卫星上使用的太阳能电池。它也可作为光电子探测器件。

　　光电二极管有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管两种。半导体pn结区附近成为耗尽层，该层的两侧是相对高的空间电荷区，而耗尽层内通常情况下并不存在电子和空穴。只有当光照射pn结时才能使耗尽层内产生载流子(电子-空穴对)，载流子被结内电场加速形成光电流。利用该原理制成的光电二极管称为耗尽层光电二极管。耗尽层光电二极管有pin层、pn层、金属-半导体型、异质型等

　　CCD(Charge Coupled Device)即电荷耦合器件，通过输入面上光电信号逐点的转换、储存和传输，在其输出端产生一时序信号。随着科技的进步，CCD技术日臻完善，已广泛用于安全防范、电视、工业、通信、远程教育、可视网络电话等领域。

光电转换率，是指在太阳能光伏系统中太阳能电池板把太阳光能转化为电能的效率。

2021年，一般的晶硅太阳能电池组件的光电转换率在20%到26%之间 ，新一代TOPCon、 异质结电池的光电转换理论极限在29左右。

人工合成光伏材料：钙钛矿材料具备较高的吸光性能和电荷传导率，与晶硅相比具备优异的光电转换性能。单结钙钛矿太阳能电池的转换效率在过去的十年中实现了从3.8%到25.2%的飞越发展，理论极限也将达到33%。