Типы фотоэлементов
Фотоэлементы — это особые устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.
Вакуумные фотоэлементы
Современный вакуумный фотоэлемент — это стеклянная колба, в которой часть внутренней поверхности покрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис. 6.4).
Это и есть катод 1. Свет проникает внутрь колбы через прозрачное окошко. В центре колбы расположена проволочная петля или диск. Это есть анод 2, который служит для улавливания фотоэлектронов. Анод надо присоединить к положительному полюсу батареи. Фотоэлементы реагируют как на видимое излучение, так и на инфракрасные лучи.
Когда свет попадает на катод фотоэлемента, то в цепи возникает электрический ток, который включает и выключает реле. Комбинация фотоэлемента с реле допускает конструировать много разных автоматов. Например, автомат в метро срабатывает при пересечении светового пучка, если заранее не пропущена карточка. На заводе фотоэлемент мгновенно останавливает мощный пресс, если рука человека находится в опасной зоне. Благодаря фотоэлементу воспроизводится звук, записанный на кинопленке.
Полупроводниковые фотоэлементы
На явлении внутреннего фотоэффекта основано устройство фоторезисторов — приборов, сопротивление которых зависит от освещенности. В настоящее время сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, которые создают ЭДС и преобразуют энергию излучения в энергию электрического тока. В данном случае ЭДС принято называть фотоЭДС. Она возникает в области р-n перехода двух полупроводников при облучении этой области светом.
Под действием света появляются пары электрон — дырка. В области р- п перехода существует электрическое поле. Под действием этого поля неосновные носители полупроводников перемещаются через контакт. Из полупроводника n-типа дырки перемещаются в полупроводник p-типа. Электроны перемещаются из полупроводника p-типа в область n-типа. В результате происходит накопление основных носителей в полупроводниках n-типа и р-типа.
Следовательно, потенциал полупроводника p-типа увеличивается, а п- типа уменьшается. Это будет происходить до тех пор, пока ток неосновных носителей через р-n переход сравняется с током основных носителей через этот же переход. Между полупроводниками установится разность потенциалов. Эта разность потенциалов будет равна фотоЭДС. Если через внешнюю нагрузку замкнуть цепь, то в цепи появится ток, определяемый разностью токов неосновных и основных носителей через р-n переход (рис. 6.5).
Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R. В фотоэкспонометрах используются фотоэлементы малой мощности.
Контрольные вопросы и задания
- 1. Что такое фотоэффект?
- 2. Какой фотоэффект является внешним, а какой — внутренним?
- 3. Что называется током насыщения?
- 4. Сформулируйте первый закон фотоэффекта.
- 5. Сформулируйте второй закон фотоэффекта.
- 6. Что представляет собой уравнение Эйнштейна?
- 7. Сформулируйте третий закон фотоэффекта.
- 8. Что такое фотон? Какой формулой выражается энергия фотона?
- 9. Что такое фотоэлементы?
- 10. Что представляет собой вакуумный фотоэлемент?
- 11. Что представляет собой полупроводниковый фотоэлемент?
- 1. Найдите импульс фотона излучения, если его длина волны равна 600 нм.
- 2. Какова энергия и импульс фотонов рентгеновского излучения с длиной волны 4 ? 10 -11 м?
- 3. Найдите частоту излучения, фотоны которого имеют импульс, равный 6,62 • 10- 28 кг- -.
- 4. Найдите абсолютный показатель преломления среды, где свет с энергией фотона Е = 4,4 • 10 -19 Дж обладает длиной волны Л = 3,0 ? 10 -7 м.
- 5. Найдите длину волны света, которым освещается поверхность металла, учитывая, что фотоэлектроны имеют кинетическую энергию 14^ = 4,5 ? Ю» 20 Дж и работа выхода электрона из металла равна А = 7,6 ? 1(Г 19 Дж.
Какие фотоэлементы используются в цепи переменного тока вакуумные полупроводниковые
Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом. Он используется для преобразования световых сигналов в электрические. Модель наглядно демонстрирует принцип действия фотоэлемента. Приведена схема включения фотоэлемента. Интенсивность света, его частоту и напряжение на фотоэлементе можно изменять.
Фотоэлемент — двухэлектродный электровакуумный прибор, служащий для преобразования световых сигналов в электрические.
Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом. Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Катод — слой металла с малой работой выхода, покрывающий часть внутренней поверхности баллона. Анодом служит проволочное кольцо (сетка, петля из тонкой проволоки), расположенное так, чтобы не мешать освещению катода. В центре баллона находится небольшое металлическое кольцо — анод фотоэлемента. Чтобы электроды фотоэлемента не окислялись, воздух из баллона выкачан и добавлено небольшое количеством химически инертного газа (гелия), повышающего также чувствительность фотоэлемента.
Рис. Принципиальная схема включения фотоэлемента в электрическую цепь. Здесь V — фотоэлемент; R — нагрузка, GB — источник высокого постоянного напряжения (примерно 250 В).
Если к аноду и катоду подключить батарею и чувствительный электроизмерительный прибор — гальванометр, то при освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонится. Значит, внутри баллона фотоэлемента течет ток. Дело в том, что свет, падая на поверхность катода, выбивает с его поверхности электроны. Анод подключен к «плюсу» батареи и поэтому электроны притягиваются к нему.
Следовательно, электроны из катода попадают на анод, во внешней цепи появляется электрический ток, заставляющий стрелку гальванометра отклониться. Инертный газ в баллоне увеличивает ток, т. к. электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Образовавшиеся положительные ионы летят к катоду. В результате общий заряд, проходящий между анодом и катодом, получается больше, чем в вакууме.
Изменяя освещенность фотоэлемента, можно регулировать силу тока. Чем сильнее освещен катод, тем больше электронов вырывается из него и тем больше будет сила тока во внешней цепи. Ток через фотоэлемент при сильной освещенности катода и высоком напряжении на аноде составляет сотни микроампер. В последнее время вместо вакуумных фотоэлементов используются полупроводниковые приборы, например, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др.
Полупроводниковый фотодиод имеет небольшие размеры, по сравнению с хрупким стеклянным баллоном фотоэлемента. Конструкция фотодиода мало чем отличается от полупроводникового диода: p-n-переход между двумя полупроводниковыми кристаллами с разной электрической проводимостью. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. Если к электродам, соединенным с кристаллами подключить нагрузку, например резистор, то через него потечет постоянный ток. Следовательно, в фотодиоде световая энергия непосредственно превращается в электрическую.
При освещении светом рабочей (светочувствительной) поверхности фоторезистора, его сопротивление уменьшается во много раз.
Фотоэлементы. Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов.
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии.
Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. При характерной для ФЭП равновесной температуре порядка 300-350 Кельвинов и Тсолнца ~ 6000 К их предельный теоретический КПД
ПОДМЕНЮ СЭС
- СЭС
- Виды СЭС
- Типы СЭС
- Плюсы и минусы СЭС
- Фотоэлементы
- Солнечные элементы
- Аэростатные СЭС
- Мобильные СЭС
- Солнечная энергетика
- Солнечная термальная энергетика
- Обзор технологий СЭС
- Развитие электроустановок СЭС
- Техника солнечной энергии
- Оптические системы СЭС
- Тепловые схемы СЭС
- Комбинированные СЭС
- Теплоаккумулирование на СЭС
- Использование энергии Солнца
- Существующие гелиоустановки
- Преобразователи солнечной энергии
- Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП)
- Гелиоэлектростанции
- Солнечный коллектор
- Химические преобразователи солнечной энергии
- Космические солнечные электростанции
- Автомобиль на солнечных батареях
- Солнечная энергетика в России и на Украине
- Изобретения, основанные на солнечной энергии
- Плюсы и минусы солнечной энергетики
- Солнце и солнечная энергия
- Использование солнечной энергии
- Солнечные полупроводники
Фотоэлементы
Электровакуумные фотоэлементы , основанные на фотоэлектронной эмиссии, бывают двух типов: электронные (вакуумные) и ионные (газовые).
В электронных фотоэлементах анодный ток образуется электронами, эмиттируемыми из катода под воздействием лучистого потока. В ионных фотоэлементах, наполненных газом (неоном, гелием или аргоном), при высоком напряжении между анодом и катодом фотоэлектронная эмиссия создается не только электронами, вылетевшими из катода, но также электронами и ионами, появившимися в результате ионизации газа.
Устройство простейших электронных фотоэлементов показано на рис. 62 . В стеклянном баллоне, из которого выкачан воздух, размещены фотокатод и анод. Катодом обычно служит тонкий металлический светочувствительный слой, нанесенный непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Иногда катод выполняют в виде специального электрода (пластинка из никеля).
Рис. 62. Устройство вакуумных фотоэлементов
Анод выполнен в форме стержня, кольца или рамки для того, чтобы он не препятствовал попаданию света на катод, и обычно имеет вывод в нижнюю часть цоколя. У некоторых фотоэлементов бывает дополнительный «ложный» анод, который необходим в приборах, предназначенных для работы в мостовых схемах.
При изготовлении газовых фотоэлементов баллон после откачки воздуха наполняют инертным газом (аргоном) при давлении порядка сотых или даже тысячных долей миллиметра ртутного столба.
В качестве материала для фотокатода используются щелочные и щелочноземельные металлы. Они обеспечивают большую фотоэлектронную эмиссию, так как работа выхода их мала по сравнению с другими металлами. Наиболее распространенным является кислородноцезиевый фотокатод. Сурьмяноцезиевые фотокатоды применяются только в вакуумных фотоэлементах.
Одной из основных характеристик фотоэлемента является световая характеристика, представляющая собой зависимость фототока от светового потока при постоянном анодном напряжении, т. е. I ф =φ(Ф) при U а = const. Используется также и вольт-амперная характеристика, устанавливающая связь между фототоком и анодным напряжением при постоянном световом потоке, т. е. I ф = φ (U а ) при Ф = const.
Схема, применяемая для снятия характеристик фотоэлемента, приведена на рис. 63, а . Источник постоянного напряжения Е а = 150÷200 в включается в анодную цепь фотоэлемента через потенциометр П. При освещении фотокатода световым потоком появляется фототок, а следовательно, и напряжение на сопротивлении нагрузки R н .
Рис. 63. Характеристики фотоэлементов и схема для их снятия: а — схема; б — световая характеристика; в — вольт-амперная характеристика.
Световые характеристики снимают при постоянном анодном напряжении, а величину светового потока изменяют, например, путем изменения расстояния между источником света и фотоэлементом. При снятии световых характеристик фотокатод обычно освещают белым светом. При этом световой поток измеряется в люменах, а фототок — в микроамперах.
На рис. 63, б приведены световые характеристики вакуумных фотоэлементов с кислородноцезиевыми фотокатодами. Пунктиром показаны характеристики подобного же фотоэлемента, но с сурьмяноцезиевым катодом. Эти характеристики линейны. Угол наклона световой характеристики — ее крутизна — является основным параметром фотоэлемента, который определяет его чувствительность. Чувствительность вакуумных фотоэлементов мала и составляет 15—20 мка/лм.
Газонаполненные фотоэлементы обладают большей чувствительностью. Линейность их световых характеристик, как видно из рис. 63, б , наблюдается только при малых световых потоках или при незначительной величине анодных напряжений. При высоких анодных напряжениях электроны ионизируют атомы газа, находящегося внутри баллона, и поэтому ток газонаполненного фотоэлемента определяется уже не только электронами, вылетевшими из катода, но также и электронами и ионами, образовавшимися в процессе ионизации газа. Поэтому ионные фотоэлементы имеют чувствительность, доходящую до 150—200 мка/лм и обладают значительным коэффициентом усиления по току, представляющим отношение анодного тока фотоэлемента к току фотокатода.
Из приведенных графиков можно заключить, что все световые характеристики проходят через начало координат, т. е. при световом потоке, равном нулю, фототок отсутствует. В действительности же в цепи включенного фотоэлемента при отсутствии светового потока имеет место некоторый, так называемый темновой ток. Он образуется за счет термоэлектронной эмиссии с поверхности катода и за счет тока утечки по конструктивным элементам прибора. Хотя темновой ток невелик (порядка сотых долей микроампера), однако его надо учитывать, когда фотоэлемент работает в схеме с малыми световыми потоками.
Вольт-амперные характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов представлены на рис. 63, в .
У вакуумных фотоэлементов с увеличением анодного напряжения (кривая 1) анодный ток возрастает до некоторой предельной величины, определяемой током насыщения: в режиме насыщения все электроны, вылетевшие из фотокатода, попадают на анод. Чем больше световой поток, тем больше ток насыщения и тем при большем напряжении на аноде оно наступает.
Газонаполненные фотоэлементы, вольт-амперные характеристики которых иллюстрируются кривыми 2, насыщения не имеют. Величина фототока у этих приборов зависит как от светового потока, так и от напряжения на аноде. При анодном напряжении около 300 в наступает самостоятельный газовый разряд, сопровождающийся резким изменением (увеличением) величины фототока и быстрым разрушением фотокатода. Поэтому ионные фотоэлементы работают при анодных напряжениях не более 200—220 в. Чем больше световой поток, тем при меньшем значении U а появляется фототок.
Вторым важным параметром фотоэлемента является его спектральная чувствительность, характеризующая изменение чувствительности фотоэлемента при изменении длины волны света, падающего на катод. Кислородноцезиевый фотокатод обладает наибольшей чувствительностью в области красной части спектра, сурьмяноцезиевый катод — в диапазоне волн порядка 0,4—0,5 ж/с, т. е. в области голубого и зеленого лучей спектра; на красную часть спектра он почти не реагирует.
Спектральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов характеризует зависимость чувствительности от частоты изменения светового потока. При быстрых его изменениях (с частотой выше 500 гц) наблюдается снижение чувствительности фотоэлемента, так как в момент газового разряда процесс нарастающей ионизации происходит в течение некоторого времени. Поэтому, когда световой поток изменяется очень быстро, фототок не успевает возрастать до величины, соответствующей установившемуся режиму.
Инерционность является большим недостатком фотоэлементов и часто ограничивает возможность их использования.
Другим недостатком этих приборов является утомляемость, под которой понимают потерю чувствительности при длительном освещении фотоэлементов. Утомляемость зависит от типа фотокатода, от величины светового потока и продолжительности освещения. Так, например, кислородноцезиевые фотокатоды, имеющие при малых световых потоках высокую чувствительность, с увеличением освещенности постепенно теряют ее. Это объясняется сравнительно медленным приходом электронов с внутренних слоев фотокатода на наружный слой, обедненный электронами. Хотя после «отдыха» такой фотокатод и восстанавливает свою чувствительность, но не полностью, вследствие необратимых ее потерь в процессе работы. Так, у кислородноцезиевых фотоэлементов после 50—60 часов работы чувствительность падает до 70% первоначального значения.
Сурьмяноцезиевый фотоэлемент в течение полного срока службы (около 4000 часов) теряет чувствительность всего лишь до 60%. Это является большим достоинством фотоэлементов с сурьмяноцезиевым катодом.