Какие типы фотоэлементов вам известны

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.

Применение

Фотоэлементы на практике применяются по общей схеме. На входе может быть любой элемент: фоторезистор, фотодиод, фототранзистор. Они реагируют на световой поток. Сигнал усиливается и подается в исполнительную цепь.

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

• По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
• Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
• Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
• На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
• В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
• На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
• В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
• Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
• Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
• Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

Похожие темы:

• Фотоника. Современная и особенности. Работа и применение
• Фотодиоды. Виды и устройство. Работа и характеристики
• ПЗС матрицы. Виды и устройство. Параметры и особенности
• Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

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 типы фотоэлементов вам известны

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.

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.

Типы фотоэлементов

Широкое применение в технике четыре вида фотоэлемента.

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.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом обладает значительно большей инерционностью по сравнению с фотоэлементами основанными на внешнем фотоэффекте.

Порядок выполнения работы

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.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

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

1. Кино: воспроизведение звука.
2. Фототелеграф, фототелефон.
3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.
4. 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.

1. Устройство датчика
2. Разновидности фотодатчиков
3. Типы фотоэлементов
4. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
5. Вентильные фотоэлементы
6. Фоторезисторы
7. 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.

Похожие публикации:

1. G45 лампа что обозначает
2. В настоящий момент известно что фотон обладает
3. Вентилятор который дует холодным
4. Зануление и заземление в чем разница

Фотоэлемент, виды, принцип работы и применение

История изобретения фотоэлемента начинается с открытия фотоэффекта, которое сделал немецкий физик Генрих Герц в 1887 году. Он обнаружил, что при освещении электродов ультрафиолетовым светом разряд между ними происходит быстрее. Однако это открытие не было широко известно, и о нем забыли на несколько десятилетий.

Следующий важный шаг в истории фотоэлементов был сделан в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн опубликовал свою теорию фотоэффекта. Он объяснил, что свет состоит из частиц (фотонов) и что каждый фотон может выбивать электрон из металла. Это открытие стало основой для дальнейшего развития фотоэлементов.

Первый практический фотоэлемент был создан в 1923 году советским ученым Олегом Лосевым. Он использовал карбид кремния в качестве полупроводника и получил ток при освещении его светом. Однако его устройство имело низкую эффективность и не получило широкого применения.

Следующим важным шагом в развитии фотоэлементов стало открытие полупроводниковых материалов в 1939 году. Японский ученый Хидео Хосоно обнаружил, что селен обладает фотопроводимостью, то есть его проводимость увеличивается при освещении. Это открытие легло в основу создания первых фотоэлементов на основе селена.

С развитием полупроводниковых технологий в 1950-х годах были созданы первые кремниевые фотоэлементы, которые имели более высокую эффективность и стали основой для создания современных солнечных батарей. В 1960-е годы были разработаны фотоэлементы на основе арсенида галлия, которые имели еще более высокую эффективность.

Современные фотоэлементы продолжают развиваться, используя новые материалы и технологии. Например, в последние годы активно исследуются фотоэлементы на основе перовскитов, которые обладают высокой эффективностью и низкой стоимостью производства.

Виды фотоэлементов

Существуют различные виды фотоэлементов, каждый из которых имеет свои особенности и области применения.

Кремниевые фотоэлементы:

• аморфный кремний (a-Si) — фотоэлементы на основе аморфного кремния являются наиболее распространенными и доступными на рынке. Их КПД составляет около 9-11%.
• монокристаллический кремний (mc-Si) – эти элементы имеют более высокий КПД (15-25%), но и стоят дороже.
• поликристаллический кремний (pc-Si) — такие фотоэлементы занимают промежуточное положение между a-Si и mc-Si по своим характеристикам.

Тонкопленочные фотоэлементы:

• CIGS (Copper Indium Gallium Selenide) — тонкие пленки селенида индия-галлия-меди на стекле. КПД таких фотоэлементов может достигать 20%.
• CdTe (Cadmium Telluride) — фотоэлементы на основе теллурида кадмия. Имеют КПД до 18%.

Органические фотоэлементы:

Органические фотоэлементы основаны на использовании органических материалов, которые обладают высокой гибкостью и могут быть нанесены на различные поверхности. К ним относятся:

• Органические тонкопленочные (OPV) фотоэлементы — имеют КПД до 10%.
• Органически-интегрированные фотоэлементы (OPTI) — представляют собой сочетание органических и неорганических материалов. КПД достигает 15%.

Перовскитные фотоэлементы:

• Перовскиты — это новые материалы, которые показывают высокую эффективность преобразования солнечной энергии. Они имеют КПД около 22-23%.

Классификация

Существует множество видов фотоэлементов, которые классифицируются по различным признакам.

Принцип работы:

• Фотовольтаические элементы, которые преобразуют свет в электричество путем прямого преобразования (например, солнечные батареи).
• Пироэлектрические элементы, которые используют изменение электрического поля в результате изменения температуры.
• Термоэлектрические элементы, в которых электрическая энергия образуется при нагревании одного из элементов, а затем используется для генерации напряжения.

Назначение:

• Солнечные элементы (фотовольтаика) для использования в солнечных батареях.
• Оптоэлектронные элементы для приложений, таких как датчики, детекторы и т. д.

Тип конструкции: Монокристаллические элементы, поликристаллические, аморфные.

Форма элемента: Плоские элементы, л инейные элементы (например, световые диоды).

Степень концентрации света: Обычная концентрация света, элементы для концентрированного света (например, линзы Френеля).

Размер: Малые элементы для портативных устройств, большие элементы для стационарных установок.

Эффективность: Высокоэффективные элементы, среднеэффективные, низкоэффективные.

Механизм поглощения излучения: Внутренние фотоэффекты (IP), д иффузионные.

Тип соединения: Одиночные элементы, м ногоэлементные системы.

Тип источника света: Для солнечного света, искусственного света.

Это далеко не полный перечень классификаций фотоэлементов. В будущем возможно появление новых типов фотоэлементов на основе новых технологий и материалов.

Принцип работы фотоэлемента

Принцип работы основан на явлении фотоэффекта — выбивании электронов из вещества под действием света.

Существует несколько типов фотоэлементов, которые используют различные физические принципы для преобразования световой энергии в электричество. Вот основные типы фотоэлементов и их принципы работы:

• Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (солнечные элементы) — используют явление внешнего фотоэффекта, когда под воздействием света из полупроводникового материала выбиваются электроны. В результате образуется разность потенциалов между двумя слоями полупроводника, что приводит к образованию электрического тока.
• Фотогальванические элементы — работают по принципу фотовольтаического эффекта, который заключается в возникновении разности потенциалов на границе двух разных полупроводников под воздействием света.
• Термофотоэлементы — преобразуют тепловую энергию света в электричество посредством термоэлектрического эффекта. При этом свет нагревает один из контактов элемента, вызывая возникновение разности потенциалов.

• Фотоэлементы на основе фоторезистивного эффекта — используют изменение сопротивления полупроводникового материала под воздействием света для генерации электрического тока.
• Фотодиоды — работают на основе внутреннего фотоэффекта. Под воздействием света в области p-n перехода диода генерируются электронно-дырочные пары, что вызывает появление электрического тока.
• Фототранзисторы — представляют собой комбинацию обычного транзистора и фотодиода. При попадании света на фотодиод происходит генерация свободных электронов, что усиливает ток коллектора транзистора.

Конструкция фотоэлемента

Конструкция фотоэлемента включает в себя следующие основные элементы:

• Полупроводниковый материал: Основой фотоэлемента является полупроводниковый материал, который может быть кристаллическим или аморфным. Наиболее часто используются кремний, германий, арсенид галлия и другие материалы.
• p-n переход: Полупроводник легируется примесью, которая создает в нем либо p-тип проводимости (с избытком дырок), либо n-тип (с избытком электронов). В результате между этими областями образуется p-n переход, который является основным элементом, преобразующим энергию света в электрический ток.
• Контактная система: Фотоэлемент имеет два или более контактов на поверхности полупроводникового материала, которые обеспечивают возможность подключения к электрической цепи. Один из контактов обычно обозначается как “анод”, а другой — как “катод”.

• Оптическая система: Для того чтобы свет попадал на полупроводниковый слой, фотоэлемент может иметь специальную оптическую систему, состоящую из линз, зеркал, фильтров и других элементов, которые позволяют направить световой поток на поверхность фотоэлемента.
• Корпус: Фотоэлементы обычно имеют корпус, который защищает полупроводниковый элемент от внешних воздействий и обеспечивает герметичность устройства. В некоторых случаях корпус может быть прозрачным для обеспечения возможности попадания света на фотоэлемент.
• Система охлаждения: В случае использования фотоэлементов в солнечных батареях, может потребоваться система охлаждения, чтобы предотвратить перегрев фотоэлементов и повысить их эффективность. Такие системы могут включать в себя радиаторы, тепловые трубки и вентиляторы.

Таким образом, конструкция фотоэлемента представляет собой сложную систему, в которой каждый элемент играет свою роль в процессе преобразования световой энергии в электрический ток.

Характеристики фотоэлемента

Основные характеристики фотоэлементов включают:

• Эффективность преобразования энергии света в электричество. Это один из ключевых показателей фотоэлементов. Эффективность измеряется в процентах и указывает на то, какая часть солнечной энергии преобразуется в электричество. Типичные значения эффективности для кремниевых солнечных панелей лежат в диапазоне от 15% до 25%, но могут достигать и 30%.
• Мощность. Она определяется как количество электричества, производимого фотоэлементом в единицу времени. Мощность измеряется в ваттах (Вт). Эффективность и мощность фотоэлементов могут варьироваться в зависимости от размера, типа и условий эксплуатации.
• Напряжение холостого хода(VOC) и ток короткого замыкания (ISC). Эти два параметра измеряются в условиях отсутствия нагрузки и используются для определения максимальной мощности фотоэлемента. Напряжение холостого хода — это напряжение, которое возникает между двумя контактами фотоэлемента при отсутствии тока. Ток короткого замыкания — это максимальный ток, который может производить фотоэлемент при коротком замыкании контактов.
• Максимальная мощность (Pmax). Максимальная мощность фотоэлемента определяется как произведение напряжения холостого хода и тока короткого замыкания. Это значение определяет эффективность фотоэлемента и его способность производить электричество.

• Спектральная чувствительность. Это характеристика фотоэлемента, определяющая его реакцию на различные длины волн света. Кремниевые фотоэлементы наиболее чувствительны к свету с длиной волны около 800 нм.
• Температурная зависимость. Эффективность фотоэлементов может снижаться при высоких температурах, так как тепловые колебания могут снижать эффективность разделения электронов и дырок. Для борьбы с этим эффектом используются различные технологии охлаждения, такие как конвекционное охлаждение, тепловые трубы и т.д.
• Долговечность и стабильность. Фотоэлементы должны сохранять свою эффективность в течение длительного времени, чтобы быть экономически выгодными. Долговечность фотоэлементов определяется стабильностью их характеристик и способностью противостоять воздействию окружающей среды и различных нагрузок.
• Стоимость. Цена фотоэлементов зависит от многих факторов, включая материалы, используемые в производстве, технологические процессы и рыночные условия. В целом, стоимость фотоэлементов продолжает снижаться с развитием технологий и увеличением объемов производства.
• Размеры и форма. Фотоэлементы могут иметь различные размеры и формы, что позволяет использовать их в различных приложениях, таких как солнечные панели на крышах домов, портативные солнечные батареи и т. д.

В целом, характеристики фотоэлементов определяются их материалом, конструкцией, условиями эксплуатации и другими факторами, что делает их эффективными и надежными источниками возобновляемой энергии.

КПД фотоэлемента

КПД (коэффициент полезного действия) фотоэлемента — это отношение полученной от фотоэлемента полезной энергии к общему количеству поглощенной световой энергии. Факторы, влияющие на КПД фотоэлементов, включают:

• Материал: КПД фотоэлемента зависит от используемого материала. Например, кремниевые фотоэлементы имеют КПД около 20%, в то время как тонкопленочные элементы на основе теллурида кадмия могут достигать КПД до 18%.
• Оптические свойства: Оптические характеристики фотоэлемента, такие как поглощение света, отражение и пропускание, также влияют на его КПД. Улучшение этих свойств может привести к повышению КПД.
• Эффективность сбора фотонов: Определяет, сколько фотонов света преобразуется в электрический заряд. Этот параметр зависит от конструкции фотоэлемента и типа используемого полупроводника.

• Рекомбинация носителей заряда: Рекомбинация — процесс, при котором электроны и дырки объединяются, образуя нейтральные частицы. Увеличение скорости рекомбинации снижает КПД фотоэлемента.
• Потери на сопротивление: В фотоэлементе имеются сопротивления, которые приводят к потере энергии. Уменьшение этих потерь может повысить КПД.
• Температура: Повышение температуры фотоэлемента может снизить его КПД, поскольку тепло может вызвать колебания полупроводниковых материалов и увеличить рекомбинацию носителей заряда.
• Освещение: Интенсивность и спектр освещения также влияют на КПД фотоэлемента. Фотоэлементы, как правило, работают лучше при ярком солнечном свете.

Применение фотоэлементов

Фотоэлементы имеют широкий спектр применения, начиная от солнечных панелей и заканчивая датчиками движения и охранными системами. Вот несколько примеров их использования:

• Солнечная энергия: Фотоэлементы являются основным компонентом солнечных панелей, используемых для преобразования солнечной энергии в электричество. Эти панели устанавливаются на крышах домов, предприятий и даже спутников, чтобы генерировать электричество.

• Светофоры и дорожные знаки: Используются для регулирования движения на перекрестках и пешеходных переходах. Когда свет падает на фотоэлемент, он активирует светофор или знак, который меняет свой цвет.
• Датчики движения: Применяются в качестве датчиков движения для автоматического включения света или открытия дверей. Они могут быть установлены в парках, общественных местах и на предприятиях.

• Охранные системы: Фотоэлементы также используются в охранных системах для обнаружения движения или проникновения на территорию. Они могут работать в паре с видеокамерами или сигнализацией.
• Промышленность: Фотоэлементы применяются в различных промышленных процессах, таких как контроль температуры, влажности и других параметров.
• Медицина: В медицине фотоэлементы используются для контроля уровня кислорода в крови, а также для диагностики заболеваний кожи и глаз.
• Наука и образование: Фотоэлементы помогают проводить научные эксперименты и исследования в области оптики, электроники и физики. Они также используются для обучения студентов основам фотоэлектрического эффекта и работы солнечных панелей.
• Космические исследования: В космических исследованиях фотоэлементы используются для сбора солнечной энергии и питания космических аппаратов на орбите.

• Бытовая техника: Фотоэлементы в бытовой технике используются для управления освещением, включения и выключения устройств, а также в системах безопасности.

В общем, фотоэлементы применяются во многих областях нашей жизни, начиная от повседневной жизни и заканчивая космическими исследованиями. Их использование позволяет экономить энергию, повышать безопасность и улучшать качество жизни.