Металл в фотоэлементах 7
Обновлено: 04.10.2024
Фотогальванические полупроводниковые фотоэлементы преобразуют энергию электромагнитного излучения в электрическую. По принципу действия они являются фотодиодами, не требующими приложения внешнего напряжения, и создающими электродвижущую силу самостоятельно.
Первые такие элементы были разработаны в 1926 году, в качестве полупроводникового материала использовалась закись меди. Далее были разработаны селеновые фотоэлементы. В 1958 году в США и СССР были запущены спутники с использованием солнечных батарей.
В настоящее время используются в основном кремниевые фотоэлементы, преобразующие энергию солнечных лучей, и называются подобные ячейки обычно солнечными элементами. Полупроводниковый кремний широко распространен на земле в виде диоксида кремния (обычного песка, или кремнезема).
Путем последовательного и параллельного соединения элементов создаются солнечные батареи мощностью до нескольких киловатт.
Виды солнечных элементов
Кремниевые солнечные элементы выпускаются 4 видов:
- Поликристаллические.
- Монокристаллические.
- Тонкопленочные.
- Гибридные.
Все эти виды солнечных элементов производятся по разным технологиям.
Производство солнечных элементов
Для производства поликристаллических элементов прежде всего, путем медленного охлаждения расплава кремния, выращиваются призматические заготовки квадратного сечения, разрезаемые далее на тонкие квадратные пластинки. Поверхность ячеек темного (черного) оттенка с неоднородной структурой.
Неоднородность вызывается тем, что заготовка не представляет собой единого кристалла, а состоит из большого количества кристалликов случайной ориентации.
Выращивание поликристаллов требует меньших затрат, чем производство монокристаллов, что удешевляет поликристаллические солнечные элементы в сравнении с другими типами.
Монокристаллические солнечные элементы производятся из монокристаллов кремния высокой чистоты с не более чем 0,01% примесей, и они отличаются более высокой стоимостью и эксплуатационными характеристиками, чем поликристаллические элементы.
Монокристаллы кремния выращиваются при температуре 1300 °С в виде призмы с поперечным сечением в виде многоугольника, соответственно ячейки этого типа имеют форму квадрата со скошенными углами, либо многоугольника. Монокристалличность заготовки определяет однородный характер поверхности элементов. Самый верхний слой ячейки выполнен из антиотражающего материала, придающего элементу яркий синий цвет.
Тонкопленочные солнечные элементы называют также «гибкими панелями». Производятся подобные ячейки напылением в вакууме при температуре 300 °С полупроводникового аморфного кремния на тонкую гибкую подложку из стекла, пластика или металла. Кристаллы кремния при этом осаждаются на подложке неравномерно и направлены своими осями в разные стороны случайным образом.
Как альтернатива, взамен кремния напыляются теллурид кадмия или селенид меди-индия. Слой полупроводникового материала покрывается сверху защитной пленкой. Технологии производства подобных элементов непрерывно совершенствуются. Тонкопленочные солнечные элементы отличаются минимальной толщиной (около 1 мкм) и малыми затратами на изготовление.
При производстве гибридных солнечных элементов над кристаллическим полупроводниковым материалом располагается тонкий слой аморфного полупроводника.
Принцип действия солнечных элементов
В основе работы фотоэлементов лежит давно открытое явление фотоэффекта – испускания веществом электронов под действием света или любого другого электромагнитного изучения.
Солнечный элемент представляет собой p-n переход, это по сути два соприкасающихся полупроводника разной проводимости с разделяющим слоем между ними. В p-полупроводнике электронов недостаток, а в n-полупроводнике напротив, избыток. В сторону источника излучения направлен n-полупроводник (внешний электрод), он располагается на подложке поверх p-полупроводника (внутреннего электрода). При попадании на элемент солнечных лучей электроны n-полупроводника выбиваются с атомных орбит и переходят в лежащий ниже p-полупроводник. Образуется направленный поток электронов, который можно замкнуть на внешнюю нагрузку с протеканием в ней непрерывного электрического тока.
Такой элемент является некоторым аналогом батареи с катодом (отводом от n-полупроводника) и анодом (отводом от p-полупроводника). Отрицательным полюсом этой «батареи» является внешний электрод (сетка поверх n-полупроводника), а положительным – внутренний (подложка с нанесенным p-полупроводником).
Солнечные элементы как источники питания
Освещенный светом солнечный элемент создает на своих выводах некоторую электродвижущую силу (ЭДС), значение которой зависит от интенсивности падающего на ячейку света. С увеличением освещенности ЭДС возрастает, но лишь до определенного предела (для кремниевых элементов до 0,6 В), т.е. зависимость ЭДС от освещенности нелинейная. От размеров элементов ЭДС не зависит, но она снижается примерно на 2 мВ при нагреве элемента на 1 С.
Для получения более высокой ЭДС устройства соединяют последовательно. Отдаваемый элементом ток зависит от вида элемента и падающего светового потока, в свою очередь определяемого освещенностью и площадью ячейки. Элемент с коэффициентом полезного действия (КПД) 17% размером 156 х 156 мм выдает при коротком замыкании ток 9 А. Максимальную мощность элемент выдает при просадке напряжения под нагрузкой до 0,47-0,5 В, такой режим работы элемента наиболее оптимален. Поскольку площадь ячейки ограничивается технологией изготовления (ячейка – поперечный срез кристалла ограниченных размеров), для повышения отдаваемой мощности отдельные элементы соединяют также и параллельно.
При подключении к элементу или батарее нагрузки напряжение падает, а поскольку оно зависит и от высоты солнца, состояния неба и атмосферы (в пасмурную погоду мощность световых панелей падает в 15-20 раз), солнечные электростанции снабжаются автоматическими регуляторами и буферными аккумуляторами, сглаживающими пики потребления электроэнергии и изменения интенсивности падающего светового потока.
Особенности солнечных элементов разных видов
Солнечным элементам свойственны как общие свойства, так и отличные в зависимости от их вида и технологии изготовления.
Поликристаллические солнечные элементы
Поскольку в элементах этого типа кристаллики кремния ориентированы случайно, их эффективность снижается при прямом падении солнечного света, но, в порядке некоторой компенсации, снижается незначительно при наклонном падении света. Их характеристики незначительно зависят от угловой высоты солнца и его положения на небосводе. КПД таких элементов невысок и составляет 17-20%.
Монокристаллические солнечные элементы
КПД монокристаллических элементов выше КПД поликристаллических элементов и доходит до 25%, и даже до 44% в элементах, предназначенных для космической отрасли. Эти элементы более критичны к углу падения солнечных лучей, и их целесообразно ориентировать на Солнце с изменением положения в течение дня. Хорошо работают они и при высокой облачности, а также при отрицательных температурах.
Аморфные элементы
КПД элементов из кремния низок (около 7-10%), для элементов из современных материалов он достигает 15-20%. К достоинствам этих элементов относится возможность монтажа их на изогнутых конструкциях, они хорошо работают при рассеянном освещении. К недостатку можно отнести большие размеры – вследствие низкого КПД они требуют при равенстве мощности вдвое большей установочной площади в сравнении с кристаллическими элементами. Также со временем слой аморфного кремния постепенно деградирует, и батарея теряет эффективность, примерно на 20% мощности за первые 2 года эксплуатации.
Гибридные солнечные элементы
Поскольку кристаллический кремний и аморфный кремний наиболее эффективно работают каждый в своей области солнечного спектра, при освещении солнечным светом смешанного состава общий КПД солнечного элемента повышается.
Применение солнечных элементов
Поскольку ЭДС одного элемента составляет 0,6 В, для получения достаточного напряжения их соединяют последовательно. Батарея из соединенных последовательно 36 элементов будет обладать ЭДС 0,6 х 36 = 21,6 В, а при оптимальной нагрузке будет выдавать напряжение порядка 17-18 В. Чтобы заряжать таким напряжением аккумулятор с номинальным напряжением 12 В, необходим контроллер заряда, избавляющий аккумулятор от перезаряда, а батарею от перегрузки. Подобный контроллер позволяет путем автоматического снижения напряжения увеличивать снимаемый ток, а тем самым постоянно поддерживать элементы в режиме съема максимальной в данных условиях мощности.
Изначально предполагалось, что устройства будут применяться в основном в космической промышленности и в военных целях. Солнечные батареи – основные источники питания на космических аппаратах, особо эффективны такие устройства при полетах от Земли в сторону Солнца, где мощность батарей значительно возрастает. Очень выгодно использование солнечных элементов для питания автоматических метеостанций.
В тропических и субтропических регионах с большим количеством часов солнечного сияния в году солнечные батареи позволяют решить проблемы энергоснабжения жилых домов и дач, при этом батареи размещают на крышах. В городах батареи на солнечных элементах используются для подзарядки автомобилей, а также для уличного освещения (накопленная в светлое время суток энергия расходуется в темное). Сфера применения солнечных элементов и батарей непрерывно расширяется по мере их удешевления и совершенствования характеристик.
Таллий элемент. Свойства таллия. Применение таллия
Таллий – греческое имя, переводится как «зеленая ветвь». Почему так назвали химический элемент? Дело в цвете талия при сгорании. Пламя зеленое. Оно-то и помогло открыть металл. Это произошло в 1863-ем году. Английский ученый по фамилии Крукс завладел спектроскопом и отходами сернокислого завода немецкого города Тильперод.
Химик уже сотрудничал с предприятием, извлекая из промышленной пыли селен. Крукс заподозрил, что в ней есть и теллур . Ожидая увидеть в горелке спектроскопа линии этого элемента, ученый заметил травянистую полосу. Такой не было ни у одного из известных металлов. Крукс выделил новое вещество и дал ему имя.
Химические и физические свойства таллия
Таллий – металл голубовато-белого цвета. Элемент мягкий, не имеет вкуса, не пахнет. Это делает вещество особенно опасным, ведь талий ядовит. Коварны и проявления отравления. Симптомы близки к гриппу, бронхопневмонии и другим заболеваниям воспалительного характера.
При этом, исход нередко летальный. К смерти взрослого человека приводит всего 1 грамм таллия. Он впитывается не только в пищеварительном тракте, но и проникает через кожу, вдыхается вместе с воздухом.
Таллий – элемент, на 3-4-е сутки после принятия которого наступает эйфория. Это ложное ощущение здоровья и полноты жизни. Но, потом возвращаются тошнота, рвота, начинается понос, выпадение волос, трескаются углы рта. На этой стадии уже понятно, что имеешь дело не с гриппом, но, бывает уже поздно. Характерные симптомы проявляются через 1-2-е недели после отравления таллием.
Яд быстро окисляется, попадая в атмосферу. Поэтому, транспортируют элемент лишь в герметичных контейнерах. Содержание токсичного металла в воздухе не должно превышать 0,004 мг/м3. Для воды опасен показатель уже в 0,0001 мг/м3. В природе указанные уровни, как правило, не превышаются.
Таллий – редкий и рассеянный элемент. Повышенная концентрация наблюдается лишь в силезских марказитах и еще нескольких минералах. Силезия – область Германии. Но, таллий в ее недрах обнаружил в 1896-ом году русский химик и геолог Антипов.
Свойство таллия окисляться проявляется ярче при высоких температурах. Так, при 100-та градусах Цельсия металл покроется пленкой моментально. Поднимись температура еще втрое, вещество расплавится. Закипает таллий при 1460-ти градусах. Есть элементы, реакция с которыми проходит уже при комнатной температуре. В ней можно получить хлорид таллия, а так же, связать его с бромом и йодом.
В химических соединениях таллий бывает либо одна-, либо двухвалентный. Валентность – способность соединяться с атомами других веществ. Соответственно, 81-ый металл периодической системы образует связи по одному или трем направлениям.
Применение таллия
Отравление таллием может быть полезно для человека, если яд получили грызуны. Патентованный препарат для них изобрели в Германии в первой трети 20-го века. В отраву вошел сульфат таллия. Для зооцидов металл пригождается и в современности. Правда, в 20-ом веке препараты на основе 81-го элемента были повсеместны, а сейчас занимают не более 3% рынка.
Таллий, химические свойства металла, пригодились и в производстве фотоэлементов. В них помещают оксисульфид 81-го постояльца таблицы Менделеева . Вещество меняет электропроводность под действием света.
Об этом свойстве оксисульфида таллия впервые написали в журнале Physical Review в 1920-ом году. Сделанные через 5 лет фотоэлементы оказались особо чувствительны к лучам инфракрасного спектра.
Хорошо пропускают инфракрасный свет бромиды и йодиды редкого металла. Поэтому, во времена Второй Мировой таллий купить захотели военные. Смешанные кристаллы взращивали в платиновых тиглях, чтобы потом поместить в инфракрасные сигнализации. Соединения таллия пригождались и при вычислении вражеских снайперов.
Таллий, электронная формула которого KLMN5s 2 5p 6 5d 10 6s 2 6p 1 Eион(Me=>Me + +e)=6,12эВ, имеет отношение и к загару. Он является реакцией кожи на ультрафиолетовое излучение, начинается активная выработка меланина – природного пегмента-красителя.
Однако, медикам известно, что не все лучи ультрафиолета «рождают» загар . Эффективны лишь эритимальные. Остальные лучи можно перевести в них. С задачей справляются силикаты и фосфаты некоторых металлов щелочноземельной группы. Для максимального действия элементы активируются таллием.
Цена таллия известна не только физиотерапевтам, но и врачам общей практики, трихологам. Металл входит в смеси для удаления волос. Процедура бывает необходима при поражении стригущим лишаем. К облысению приводят соли таллия. Главное, подобрать терапевтическую дозу. Чуть переборщишь, получишь токсичный, а не лечебный эффект.
Гидроксид таллия и карбонат – добавки в стекло с повышенным светопреломлением, а чистый металл пригождается в металлургии. 81-ый элемент добавляют в некоторые сплавы, чтобы сделать их устойчивыми к кислотам, более прочными и износостойкими.
Обычно, таллий становится компаньоном свинцовых смесей. 81-ый металл есть, к примеру, в подшипниковом сплаве. 8% таллия делают его лучше других составов на основе олова .
Сплавом является и амальгама таллия. Она твердеет лишь при 60-ти градусах Цельсия. Смесь нужна для производства термометров, используется в жидкостных затворах и переключателях. В контрольно-измерительной же аппаратуре пригождаются радиоизотопы таллия. Они служат чистым бето-излучателем.
Добыча таллия
Элемент добывают попутно, при переработке цинковых , свинцовых и медных руд. Получают металл, как когда-то это делал его первооткрыватель, из пылевых отходов производства. В год добыча таллия составляет примерно 10 тонн. Мировые же запасы элемента оцениваются в 17 тысяч тонн. Это 0,7 частей на миллион. То есть, хоть металл и редкий, но залежи его больше золотых.
Наиболее насыщенны таллием земли Европы, Канады и США. Но, в штатах с 1981-го года добыча ядовитого металла запрещена. Основным поставщиком элемента является Казахстан. Его поставщики предлагают рафинированный таллий. Его запасы связаны не только с рудами других металлов, но и с залегающими в земной коре пластами угля. В них сокрыты 630 тысяч тонн 81-го элемента.
Из минералов таллий содержат врбаит, лорандит, крукезит, гутчинсонит. Перечисленные камни встречаются редко. Зато, доля 81-го металла в них велика – от 16-ти до 80-ти процентов. За 90% зашкаливает содержание таллия в авиценните.
Это почти чистая окись трехвалентного металла открыта в 1956-ом году. Залежи камня нашли на территории Узбекской ССР. Ныне, она стала Казахстаном. Вот и объяснение, откуда страна берет сырье, чтобы снабжать таллием почти весь мировой рынок.
Цена таллия
За килограмм таллия просят почти 7 тысяч долларов. С 2003-го года цена выросла в 7 раз. Один Казахстан, хоть и производит много металла, но не может обеспечить им всех желающих. Канадский таллий дороже среднего. Выгодным предложением всегда были поставки из Китая.
Но, в Поднебесной решили устранить налоговые льготы при экспорте редкого элемента. Это способствовало уменьшению закупок. На мировом рынке начал ощущаться дефицит таллия, что и привело к росту цен на него.
Германий элемент. Свойства, добыча и применение германия
Назван в честь Германии. Ученый из этой страны открыл элемент и имел право именовать его, как захочет. Так в таблицу Менделеева попал германий.
Автор списка предполагал о существовании элемента, хотел назвать экасилицием, потратил на поиски 15 лет.
Однако, посчастливилось не Менделееву, а Клеменсу Винклеру. Ему поручили изучить аргиродит. Новый минерал, состоящий, в основном, из серебра , нашли на прииске Химмельфюрст.
Винклер определил 93% состава камня и зашел в тупик с оставшимися 7%. Напрашивался вывод, что в них входит неизвестный элемент.
Более тщательный анализ принес плоды, — был открыт германий. Это металл. Чем он пригодился человечеству? Об этом, и не только, расскажем далее.
Свойства германия
Германий – 32 элемент таблицы Менделеева. Получается, металл входит в 4-ю группу. Номер соответствует валентности элементов.
То есть, германий склонен образовывать 4 химических связи. Это делает элемент, открытый Винклером, похожим на кремний .
Отсюда и желание Менделеева назвать еще неоткрытый элемент экосилицием, обозначаемым, как Si. Дмитрий Ивановичь заранее просчитал свойства 32-го металла.
На кремний германий похож химическими свойствами. С кислотами реагирует только при нагревании. Со щелочами «общается» в присутствии окислителей.
Устойчив к парам воды. Не вступает в реакции с водородом, углеродом, азотом . Загорается германий при температуре в 700-от градусов Цельсия. Реакция сопровождается образованием диоксида германия.
32-ой элемент легко взаимодействует с галогенами. Это солеобразующие вещества из 17 группы таблицы.
Дабы не запутаться, укажем, что ориентируемся на новый стандарт. В старом, это 7-я группа таблицы Менделеева.
Какой бы ни была таблица, металлы в ней располагаются слева от ступенчатой диагональной линии. 32-ой элемент – исключение.
Еще одно исключение – сурьма . С ней тоже возможна реакция. Сурьма осаждается на подложке.
Активное взаимодействие обеспеченно и с серой . Как большинство металлов, германий способен гореть в ее парах.
Внешне элемент германий твердый , серовато-белый, с выраженным металлическим блеском.
При рассмотрении внутреннего строения, металл имеет кубическую структуру. Она отражает расположение атомов в элементарных ячейках.
Они имеют форму кубов. Восемь атомов располагаются в вершинах. Строение близко к решетке алмаза .
У 32-го элемента 5 стабильных изотопов. Их наличие – свойство всех элементов подгруппы германия.
Они четные, что и обуславливает присутствие стабильных изотопов. У олова , к примеру, их 10.
Плотность германия составляет 5,3-5,5 граммов на кубический сантиметр. Первый показатель характерен для твердого состояния, второй – для жидкого металла.
В размягченном виде он не только более плотный, но и пластичный. Хрупкое при комнатной температуре вещество становится ковким при 550-ти градусах. Таковы особенности германия.
Твердость металла при комнатной температуре составляет около 6 баллов по шкале Мооса .
В таком состоянии 32-ой элемент является типичным полупроводником. Но, свойство становится «ярче» при повышении температуры. Просто проводники, для сравнения, теряют свои свойства при нагреве.
Германий проводит ток не только в стандартном виде, но и в твердых растворах.
По полупроводниковым свойствам 32-ой элемент, так же, близок кремнию и столь же распространен.
Однако, сферы применения веществ разнятся. Кремний – полупроводник, используемый в солнечных батареях, в том числе, и тонкопленочного типа.
Элемент нужен, так же, для фотоэлементов. Теперь, рассмотрим, где пригождается германий.
Применение германия
Германий применяют в гаммо-спектроскопии. Ее приборы позволяют, к примеру, изучить состав добавок в смешанных окислах катализаторов.
В прошлом, германий добавляли в диоды и транзисторы. В фотоэлементах свойства полупроводника тоже пригождаются.
Но, если кремний добавляют в стандартные модели, то германий – в высокоэффективные, нового поколения.
Главное, не использовать германий при температуре близкой к абсолютному нулю. В таких условиях металл теряет способность передавать напряжение.
Чтобы германий был проводником, примесей в нем должно быть не более 10%. Идеален ультрачистый химический элемент.
Германий делают таким методом зонной плавки. Она основана на различной растворимости сторонних элементов в жидкой и твердой фазах.
Формула германия позволяет применять его и в ювелирном деле. Здесь речь уже не о полупроводниковых свойствах элемента, а о его способности придать твердость золоту .
По этой же причине, германий нашел применение в зубопротезировании. Хотя, золотые коронки отживают свой век, небольшой спрос на них, все еще, есть.
Если добавить к германию и золоту еще и кремний с алюминием, получаются припои.
Их температура плавления всегда ниже, чем у соединяемых металлов. Так что, можно делать сложные, дизайнерские конструкции.
Даже интернет без германия был бы невозможен. 32-ой элемент присутствует в оптоволокне. В его сердцевине находится кварц с примесью героя статьи .
А его двуокись увеличивает отражательные способности оптоволокна. Учитывая спрос на него, ювелирные изделия , электронику, германий нужен промышленникам в больших объемах. Каких именно, и как их обеспечивают, изучим ниже.
Добыча германия
Германий довольно распространен. В земной коре 32-го элемента, к примеру, больше, чем серебра , сурьмы, или висмута .
Разведанные запасы – около 1 000 тонн. Почти половина из них сокрыта в недрах США. Еще 410 тонн – достояние Китая .
Так что, остальным странам, в основном, приходиться закупать сырье. Россия сотрудничает с Поднебесной. Это обосновано и с политической точки зрения, и с позиции экономии.
Свойства элемента германий, связанные с его геохимическим родством с широко распространенными веществами, не позволяют металлу образовывать собственные минералы.
Обычно, металл внедряется в решетку уже существующих камней . Много места гость, естественно, не займет.
Поэтому, приходиться извлекать германий по крупицам. В сфалеритах можно найти несколько кило на тонну породы.
В энаргитах на 1000 килограммов приходиться не больше 5 кило германия. В пираргирите в 2 раза больше.
В тонне сульванита 32-го элемента содержится не больше 1 килограмма. Чаще всего, германий извлекают в качестве побочного продукта из руд других металлов, к примеру, железа , или цветных, таких как хромит, магнитит, рутит.
Годовое производство германия колеблется в пределах 100-120 тонн, в зависимости от спроса.
В основном, закупается монокристаллическая форма вещества. Именно такая нужна для производства спектрометров, оптоволокна, драгоценных сплавов . Узнаем расценки.
Цена германия
Монокристаллический германий, в основном, закупают тоннами. Для больших производств это выгодно.
1 000 килограммов 32-го элемента стоит около 100 000 рублей. Можно найти предложения за 75 000 – 85 000.
Если брать поликристаллический, то есть, с агрегатами меньшего размера и повышенной прочностью, можно отдать в 2,5 раза больше всего за кило сырья.
Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение
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.
Читайте также: