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.
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.
Фотоэлемент: устройство и принцип работы
Если вы активно используете всевозможные электронные электроприборы, которые подарил нам прогресс, наверняка, вы замечали, как увеличиваются ваши расходы на оплату электроэнергии с покупкой очередного такого прибора. Неудивительно, что каждого в таком случае посещают мысли о возможных вариантах экономии, тем более, в условиях нестабильной экономической ситуации в стране. И в этом вам поможет, как никто другой, фотоэлемент или, всем известное, фотореле. Использовать его можно при уличном освещении, потому это, скорее, вариант для владельцев частных домовладений. Закономерно возникает вопрос: а что такое фотоэлемент и как он работает? Давайте разбираться.
Понятие фотоэлемента
Фотоэлемент (фотореле) — это прибор, который приходит в действие от солнечной энергии. При попадании на него солнечных лучей, в нем образуется фотоэдс — электродвижущая сила. Существует два вида: электровакуумный и полупроводниковый фотоэлемент.
Принцип работы фотоэлемента
Важнейшая деталь фотоэлемента — фотореле, которое приводит в действие весь механизм. Когда реле контролирует функционирование осветительного прибора, можно получить максимальную экономию. Состоит фотоэлемент из двух частей, обладающих разной проводимостью. К этим частям присоединяют контакты для использования их во внешней цепи. Именно на них и подается напряжение, преобразовываясь в электрический ток.
Световая энергия в фотоэлементе трансформируется в электроэнергию.
Выбирая в магазине фотоэлемент, вы можете заметить, что существует множество приборов, которые будут отличаться мощностью и предназначением. Вмонтировать их можно на стены, фонарные столбы и т.п. Места они займут совсем немного.
Из чего делают фотоэлементы?
Основным материалом, из которого их изготавливают, остается кремний. Первыми попробовали использовать при производстве фотоэлементов кремний в лаборатории компании Bell Telephone. Там был создан первый такой прибор. И хоть компания искала исключительно источник энергии для своих телефонных станций в качестве альтернативного источника солнечной энергии, по теперешнее время кремний используется остальными производителями в производстве фотоэлементов. К тому же, этому способствует тот факт, что материал кремний очень распространен на планете и его запасы велики. Сложность состоит только в процессе его очищения. Очистка обходится дорого, потому встретить чистый кремний не так легко. Поэтому компании в данный момент пытаются найти альтернативу, которая бы не уступила кремнию по коэффициенту полезного действия.
Как выбрать фотоэлемент
При его выборе, можно сэкономить уже на самой покупке. Для этого покупайте модель, которая рассчитана на такую мощность, которая потребляется вашей лампой. Довольно часто лампы уже идут в комплекте с фотоэлементами, что существенно облегчит ваш выбор.
Перед тем, как сделать покупку, просчитайте нагрузку и определите, при каком режиме вы собираетесь эксплуатировать фотоэлемент. Также учитывайте такие факторы, как погодные условия вашего региона и влажность воздуха. Перечисленные выше факторы определят длительность использования прибора, а также качество выдаваемого им освещения.
Типы фотоэлементов
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.