Какие типы фотоэлементов вам известны кратко
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.
А — анод; К — катод светочувствительный; О — окошко для доступа света.
Достоинства фотоэлемента: безынерционность, фототок I пропорционален световому потоку Ф.
Недостатки фотоэлемента: слабый ток, малая чувствительность кдлинноволновому излучению; сложность в изготовлении, не используется в цепях переменного тока.
Применение в технике
- Кино: воспроизведение звука.
- Фототелеграф, фототелефон.
- Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.
- Управление производственными процессами. Ф— фотоэлемент; У —усилитель; Р — электромагнитное реле; К. — катушка; Я — якорь.
Изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.
Фоторезистор—устройство, сопротивление которого зависит от освещенности.
Используется при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока
Возникновение ЭДС под действием света в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников.
Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12—16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне.
Принцип действия солнечной батареи: при поглощении кванта энергии hv полупроводником освобождается дополнительная пара носителей (электрон и дырка), которые движутся в разных направлениях: дырка — в сторону полупроводников p-типа, а электрон — в сторону полупроводников n-типа.
В результате образуется в полупроводнике n-типа избыток свободных электронов, а в полупроводнике p-типа — избыток дырок. Возникает разность потенциалов.
Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.
Классификация фотоэлементов
Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:
- Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
- Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
- Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).
На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.
Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.
Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.
Устройство и принцип действия
Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.
При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.
Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.
Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.
Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.
При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.
Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.
Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.
Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.
Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.
Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.
Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.
Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.
Фоторезистор
Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?
Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.
Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.
При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.
Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.
Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.
Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.
Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.
Фотодиод
Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.
Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.
Широкое применение в технике четыре вида фотоэлемента.
а) Фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
1. Вакуумные фотоэлементы, практически не обладающие инерционностью.
2. Газонаполненные фотоэлементы, обладающие большей, по сравнению с вакуумным, чувствительностью, но и большей инерционностью, т.е. изменения фототока запаздывают по времени относительно изменения светового потока.
б) Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом.
2. Вентильные фотоэлементы.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладает значительно большей инерционностью по сравнению с фотоэлементами основанными на внешнем фотоэффекте.
Порядок выполнения работы
Работа состоит из 2-х частей:
Определение чувствительности фотоэлемента.
В работе применяется селеновый фотоэлемент.
Устанавливают фотоэлемент и электролампу с известной силой света так, чтобы их центры были на одной горизонтали. Устанавливают фотоэлемент на указанном в работе расстоянии от электролампы и подсоединяют гальванометр к фотоэлементу. Включают лампу в сеть и устанавливают указанное в работе напряжение.
При освещении фотоэлемента гальванометр покажет наличие фототока. Записывают в таблицу расстояние R от фотоэлемента до электролампы и силу фототока i. Повторяют измерения измеряя расстояние через равные интервалы.
Пройдя весь указанный в работе интервал расстояний, выключают электролампу и отключают гальванометр от фотоэлемента.
Результаты измерений записывают в таблицу.
Таблица результатов по определению чувствительности фотоэлемента типа .
Фоточувствительная поверхность S=
Сила света лампы J =
Обрабатывают результаты измерений.
Зная силу света J лампы при данном напряжении и расстояние от лампы до фотоэлемента, находят освещенность фотоэлемента по закону освещенности
Е = .Зная освещенность и светочувствительность площадь фотоэлемента, (она указана в работе), находят световой поток, падающий на фотоэлемент
Зная световой поток Ф и силу фототока i, строят график зависимости i от Ф. Из графика находят чувствительность фотоэлемента к = .
Определение удельной мощности электролампы.
Устанавливают фотоэлемент на таком расстоянии от электролампы, чтобы при максимальном освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонялась почти на всю шкалу гальванометра. Записывают мощность P потребляемую электролампой и силу фототока i. Повторяют измерения уменьшая мощность, потребляемую лампой через равные интервалы. Пройдя весь указанный в работе интервал напряжений, выключают электролампу и отключают гальванометр от фотоэлемента.
Фотодатчики активно используются в самых разных электронных приборах, являясь одним из главных компонентов систем домашней или промышленной автоматики.
Эти элементы отвечают за фиксацию изменения освещенности и передачу соответствующей информации на основные приборы.
Для лучшего понимания специфики устройства стоит познакомиться с его устройством и разновидностями.
- Устройство датчика
- Разновидности фотодатчиков
- Типы фотоэлементов
- Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
- Вентильные фотоэлементы
- Фоторезисторы
- Фотодиоды
Фотодатчики активно используются в самых разных электронных приборах, являясь одним из главных компонентов систем домашней или промышленной автоматики.
Эти элементы отвечают за фиксацию изменения освещенности и передачу соответствующей информации на основные приборы.
Для лучшего понимания специфики устройства стоит познакомиться с его устройством и разновидностями.
Вакуумные фотоэлементы
Они выполняются в виде сферических, стеклянных баллонов. На внутреннюю поверхность, которых наносится слой фоточувствительного материала, который образует фотокатод. И представить это можно так:
При образовании светового потока в ток, в вакуумных фотоэлементах практически безынерционно. Так как определяется в основном временем фотоэмисии (10 -12 секунды) и временем пролёта электронов (10 -9 секунды). При измерении слабых световых потоков необходимо учитывать ток, текущий через фотоэлемент, когда он затемнён. Чувствительность вакуумных фотоэлементов лежит в диапазоне 10-100 микроАмпер/Люмен.
Газонаполненные элементы
Они позволяют получать токи в несколько раз большие по сравнению с токами от вакуумных фотоэлементов. При заполнении фотоэлемента инертными газами(аргон, гелий), фотоэлектроны движутся к аноду и сталкиваются при движении с молекулами газа и тем самым ионизируют их. В результате от катода к аноду движутся нарастающая лавина электронов, а к катоду лавина положительно заряженных ионов. Отношение величины тока усиленного за счёт ионизации к величине первичного фототока называется коэффициентом газового усиления и который может достигать величины 6-7 раз. Соответственно этому чувствительность газовых фотоэлементов составляет от 100-250 микроАмпер/люмен. По сколько максимальная амплитуда фототока достигает лишь через некоторое время после начала освещения, то эти фотоэлементы применяются для регистрации световых потоков с частотами не выше нескольких сотен Герц.
Фотоумножители
В фотоумножителях для усиления первичного фототока используется вторичная электронная эмиссия.
Для этого фотоумножителя помимо фотокатода и анода вводятся вторичные катоды называют их эмиттеры и системы фокусировки электронного пучка. Коэффициент вторичной эмиссии может достигать 2-4, а общий коэффициент усиления в многокаскадных фотоумножителях достигает 100 тысяч. В результате выходной ток фотоумножителей достигает одного миллиАмпера. Явление вторичной электронной эмиссии практически без инерционно и поэтому фотоумножителей как и вакуумные фотоэлементы могут использоваться для регистрации весьма быстро протекающих процессов.
Фоторезисторы
Фоторезисторы представляют собой однородную полупроводниковую пластину с контактами, которая при освещении уменьшает своё сопротивление в результате внутреннего фотоэффекта. Спектральные характеристики фоторезисторов определяются свойствами используемых полупроводниковых материалов. ВольтАмперные характеристики это световой ток от напряжения:
Фоторезисторы линейны в пределах допустимых мощностей рассеяния. Световая характеристика это ток от величины потока:
Световая характеристика линейна только при малых уровнях светового потока. Практически до освещённости 200-300 Люксов. Постоянная времени фоторезисторов составляет 10 -2 -10 -5 секунды. Порог чувствительности фоторезисторов определяются дрейфом темнового сопротивления и шумами различных видов. Характеристики фоторезисторов (темновое сопротивление, чувствительность, инерционность) сильно зависят от температуры. Так темновое сопротивление и чувствительность с ростом температуры уменьшаются, а постоянная времени увеличивается. Измерительные цепи фоторезисторов строятся с использованием как постоянного, так и переменного напряжения питания. Наиболее распространённой измерительной цепью является мостовая схема. Пример, который приведён на следующем рисунке:
Здесь 1 и 2 это фоторезистора, 3 усилитель, а Е источник питания. U пропорционально отношению проводимостей двух фоторезисторов этого преобразователя.
Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока вакуумные полупроводниковые
Физика
Электродинамика
Магнитное поле
Механические колебания
Электромагнитные колебания
Механические волны
Электромагнитные волны
Оптика
Геометрическая оптика
Задачи на сферическое зеркало
Линза
Волновая оптика
Основы теории относительности
Основы квантовой физики
Излучения и спектры
Световые кванты
Атомная физика
Ядерная физика
Физика элементарных частиц
Открытие позитрона. Античастицы
Современная физическая картина мира
Современная физическая картина мира
Строение Вселенной
Строение Вселенной
Звёзды и источники их энергии. Современные представления о происхождении и эволюции Солнца и звёзд
Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока вакуумные полупроводниковые
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии (фотоэлементы)
Фотоэлементами называются электронные приборы, предназначенные для преобразования энергии фотонов в энергию электрического тока, т. е. фотоэлементы, или солнечные элементы, преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество.
Исторически первый прообраз современного фотоэлемента изобрел Александр Григорьевич Столетов в конце 19 века. Он создал прибор, работавший на принципе внешнего фотоэффекта. Первая экспериментальная установка состояла из пары расположенных параллельно плоских металлических листов, один из которых был изготовлен из сетки, чтобы пропускать свет, а второй — сплошной.
На листы подавалось постоянное напряжение, которое можно было регулировать в пределах от 0 до 250 вольт. Положительный полюс источника напряжения был соединен с сетчатым электродом, а отрицательный — со сплошным. В цепь также был включен чувствительный гальванометр.
Когда сплошной лист освещали светом от электрической дуги, стрелка гальванометра отклонялась, показывая что в цепи возникает постоянный ток, несмотря на то, что между дисками находится воздух. В эксперименте ученый установил, что величина «фототока» зависит как от приложенного напряжения, так и от интенсивности света.
Усложнив установку, Столетов разместил электроды внутри баллона, из которого был откачан воздух, а через кварцевое окно на чувствительный электрод подавался ультрафиолет. Так был открыт фотоэффект.
Сегодня на основе данного эффекта работают фотоэлектрические преобразователи. Они реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность элемента, и преобразуют его в напряжение на выходе. Пример такого преобразователя — солнечный элемент. На этом же принципе работают и светочувствительные датчики.
В конструкцию типичного фотоэлемента входит слой фоточувствительного высокоомного материала, который размещен между двумя токопроводящими электродами. В качестве фотоэлектрического материала для солнечных элементов обычно используют полупроводник, который при полном его освещении способен дать на выходе 0,5 вольт.
Такие элементы наиболее эффективны с точки зрения вырабатываемой энергии, ведь они позволяют осуществить прямой одноступенчатый переход энергии фотонов — в электрический ток. При нормальных условиях КПД в 28% является для таких элементов нормой.
Интенсивный фотоэффект возникает здесь благодаря неоднородности полупроводниковой структуры рабочего материала. Эту неоднородность получают либо путем легирования используемого полупроводникового вещества различными примесями, создавая таки образом p-n-переход, либо соединяя полупроводники с различными размерами запрещенных зон (энергий, при которых электроны покидают свои атомы) — так получается гетеропереход, или путем подбора такого химического состава полупроводника, чтобы внутри проявлялся градиент ширины запрещенной зоны — варизонная структура. В итоге эффективность элемента зависит от характеристик неоднородности, получаемой внутри той или иной полупроводниковой структуры, а также от фотопроводимости.
Для того чтобы сократить потери в солнечном фотоэлементе, при их изготовлении прибегают к ряду положений.
Во-первых, используются полупроводники, ширина запрещенной зоны которых оптимальна именно для солнечного света, например кремний и соединения арсенида галлия.
Во-вторых, свойства структуры улучшают путем оптимального легирования. Отдают предпочтение гетерогенным и варизонным структурам. Подбирают оптимальную толщину слоя, глубину залегания p-n-перехода, лучшие параметры контактной сетки.
Создаются и каскадные элементы, где работают несколько полупроводников с разной шириной запрещенной зоны, чтобы пройдя чрез один каскад, свет попадал на следующий и т. д. Перспективной представляется идея разложения солнечного спектра с тем, чтобы каждую его область преобразовывал отдельный участок фотоэлемента.
На рынке сегодня можно встретить фотоэлектрические элементы трех основных типов: монокристаллические кремниевые, поликристаллические кремниевые и тонкопленочные. Тонкопленочные считаются наиболее перспективными, поскольку они чувствительны даже к рассеянному свету, допускают размещение на искривленных поверхностях, не так хрупки как кремниевые, эффективны даже при высоких температурах эксплуатации.
В дополнение к полупроводниковым материалам солнечные элементы состоят из двух металлических сеток или электрических контактов. Один помещается над полупроводниковым материалом, а другой — под ним.
В производстве фотоэлементов используются различные материалы, в том числе материалы, широко используемые в коммерческих целях (например, алюминий и стекло), химические вещества, широко используемые в полупроводниковой промышленности (например, силан и плавиковая кислота), и некоторые химические вещества, уникальные для фотоэлектрической промышленности, например, селенид меди-индия (CIS) и теллурид кадмия (CdTe).
Фотоэлементы собираются в плоские системы, которые можно устанавливать на крышах или в других солнечных местах. Они генерируют электроэнергию без движущихся частей, работают тихо, без вредных выбросов и требуют минимального обслуживания.
Фотоэлектрические элементы быстро развиваются в последние десятилетия из-за их преимуществ экологически чистого и экономичного сбора солнечной энергии.
В настоящее время предпринимаются усилия по повышению эффективности фотоэлектрических элементов, а также по снижению капитальных затрат. Значительное внимание также уделяется полностью интегрированным в здание фотоэлементам, где фотоэлементы являются альтернативой другим строительным материалам.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Фотоэлемент ( фотоэлектрический элемент). Вакуумный фотоэлемент. Полупроводниковый фотоэлемент. Вентильный фотоэлемент:
Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Фотоэлемент является центральным элементом солнечной батареи .
Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано соответственно либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте или вентильном (барьерном) фотоэффекте.
Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).
Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.
На основе внешнего фотоэффекта работают электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумный фотоэлемент (вакуумный фотоэлемент) представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы покрывается тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступает в качестве катода . Он контактирует с проводом, который соединен с отрицательным источником тока. В середине колбы располагается электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом . Анод соединен с положительным источником тока. Другая часть колбы прозрачна и пропускает вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырываются электроны, которые во внешнем электрическом поле устремляются к аноду, создавая в цепи электрический ток.
На основе вакуумных фотоэлементов создаются оптические реле – элементы автоматических устройств, из которых образовываются различные автоматы с электронным зрением. Они широко используются во многих технологических процессах в промышленности.
Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.
В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.
На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.
Полупроводниковые фотоэлементы также используются для создания оптических реле, применяемых во многих автоматических устройствах в промышленности.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p–n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).
При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.
Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p–n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.
Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей . Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.
КПД фотоэлементов:
КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.
Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов , произведенных на основе различных материалов.
Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях
| Тип | Коэффициент фотоэлектрического преобразования, % |
| Кремниевые | 24,7 |
| Si (кристаллический) | |
| Si (поликристаллический) | |
| Si (тонкопленочная передача) | |
| Si (тонкопленочный субмодуль) | 10,4 |
| Si (аморфный) | 9,5 |
| Si (нанокристаллический) | 10,1 |
| На основе арсенида галлия и т.п. | |
| GaAs (кристаллический) | 25,1 |
| GaAs (тонкопленочный) | 24,5 |
| GaAs (поликристаллический) | 18,2 |
| InP (кристаллический) | 21,9 |
| Тонкие плёнки халькогенидов | |
| CIGS (фотоэлемент) | 19,9 |
| CIGS (субмодуль) | 16,6 |
| CdTe (фотоэлемент) | 16,5 |
| Фотохимические | |
| На базе органических красителей | 10,4 |
| На базе органических красителей (субмодуль) | 7,9 |
| Органические | |
| Органический полимер | 5,15 |
| Многослойные | |
| GaInP/GaAs/Ge | 32,0 |
| GaInP/GaAs | 30,3 |
| GaAs/CIS (тонкопленочный) | 25,8 |
| a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль) | 11,7 |
Такие огромные потери полупроводниковых фотоэлементов (невысокий КПД преобразования солнечного света в электрическую энергию) вызваны отражением солнечного излучения от поверхности фотоэлектрического преобразователя; прохождением части солнечного излучения через фотоэлемент без поглощения в нём; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловые колебания кристаллической решётки; рекомбинацией образовавшихся пар носителей зарядов; внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и другими физическими процессами.
Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов, используемых в солнечных электростанциях и солнечных батареях, считаются кремний , селенид меди-индия-галлия (Cu(In,Ga)Se2) и арсенид галлия (GaAs).
Повышение КПД фотоэлементов возможно за счет:
– использования полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны (например, полупроводников из иных материалов нежели кремний: материалов на основе комплексных галогенидов сурьмы и висмута и пр.);
– направленного улучшения свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
– перехода от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
– оптимизации конструктивных параметров фотоэлектрического преобразователя (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
– применения многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от космической радиации;
– разработки фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
– создания каскадных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;
– создания фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней чувствительностью (добавляют дополнительные 80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);
– применения люминесцентно-переизлучающих структур;
– предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлементами;
– использования различных нанослоев и нанопокрытий фотоэлементов и т.д.
Светодиодный мир нашего века
О светодиодах применяемых в нашей жизни, автомобилях и технике, устройство, характеристика, подключение светодиода, история будущее.