Какой металл используется в фотоэлементах
FISHKINET
АНТИФИШКИ
Всё о политике в мире
Клоун, с каких пор и по какой шкале титан стал тверже хрома? В школу неуч, или на курсы иностранного языка для правильного перевода.
Автор, пока вас не погнали тут взашей - отдайте свою статью на редакцию нормальному химику и после перепубликуйте.
Копипаста с какого-то детского сайта, причем американского. Нормальным детям такое нельзя давать, только тем, что у фитоняш от качков-гуманитариев рождаются. Понятно, что факты адаптированы для широкой аудитории, но до такой степени, что в ряде случаев стали даже не искаженными, а ошибочными. Ртуть не самая ядовитая из перечисленного списка (а есть еще металлы), уран не самый радиоактивный, да и не улетучивается, титан не самый твердый и пр.
Пример со ртутью отлично демонстрирует, как легко может изменится то, что сегодня кажется нам непреложной научной истиной. В Средние века любой алхимик был уверен, что ртуть можно превратить в золото, надо лишь правильно провести трансмутацию. Это была научная истина того времени. В девятнадцатом же веке любого, кто заикнулся бы о таком, назвали бы неучем и шарлатаном. И это тоже научная истина. А ещё столетие спустя выяснилось, что алхимики-то по факту были правы, из ртути можно изготовить золото, пусть не химической, а ядерной реакцией, но ведь можно. Получаем истину номер три.
Ну. Это и отличает настоящую науку от догм. И не обязательно, что новые открытия противоречат старой теории. Ньютоновская физика никуда не делась, хоть и ее законы не выполняются на уровне элементарных частиц, так и получение из ртути золота химическим путем - шарлатанство.
А скольких тогда сожгли за "обещание превратить ртуть в золото", но "у меня нет для того подходящих условий и инструментов", потому что "кукареки" о таких "открытиях" летят всегда впереди и быстрее человека (т.к. за него и про него, первого - уже далее вторые обещают "с три короба" третьим).
"Самым редким металлом считается франций."(с) афтару-репостеру ничего скобочки [] на атомной массе в табличке Дмитрия Ивановича не говорят? А вот зря химию прогуливали. Или еще не начали изучать?
Франций вообще-то используется в медицине, было время в фотоэлементах использовался. Правее в табличке нужно искать более редкие металлы, некоторые тока в теории могут существовать.
Насколько мне помнится, те, что только в теории известны записываются без указания атомной массы - на старых бумажных таблицах у "сотой серии" это видно. Причем несколько элементов изменили названия - кто первым получил имеет право дать новое имя. Хотя и решают всем мировым сообществом какой элемент как будет называться после получения, но право первополучателя священно.
не помню откуда, наверное с времен универа помню, что франция на планете не более пол-кило, википедия так же говорит о 340гр. Не знаю откуда у вас информация, но скорее всего она ошибочна.
Природного U-235 в природе осталось мало – за историю существования Земли он просто улетучился.
Применение фотоэффекта
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где быне использовались фотоэлементы — приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, э.д.с. которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света — сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д.
Для увеличения интегральной чувствительности вакуумных фотоэлементов (фототок насыщения, приходящийся на 1 лм светового потока) баллон заполняется разреженным инертным газом (Ar или Ne при давлении ≈1,3÷13 Па). Фототок в таком элементе, называемом газонаполненным, усиливается вследствие ударной ионизации молекул газа фотоэлектронами. Интегральная чувствительность газонаполненных фотоэлементов (≈1 мА/лм) гораздо выше, чем для вакуумных (20—150 мкА/лм), но они обладают по сравнению с последними большей инерционностью (менее строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения), что приводит к ограничению области их применения.
Для усиления фототока применяются уже рассмотренные выше фотоэлектронные умножители, в которых наряду с фотоэффектом используется явление вторичной электронной эмиссии (см. § 105). Размеры фотоэлектронных умножителей немного превышают размеры обычной радиолампы, общий коэффициент усиления составляет ≈10 7 (при напряжении питания 1—1,5 кВ), а их интегральная чувствительность может достигать 10 А/лм. Поэтому фотоэлектронные умножители начинают вытеснять фотоэлементы, правда, их применение связано с использованием высоковольтных стабилизированных источников питания, что несколько неудобно.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), обладают гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используются PbS, CdS, PbSe и некоторые другие полупроводники. Если фотокатоды вакуумных фотоэлементов и фотоэлектронных умножителей имеют красную границу фотоэффекта не выше 1,1 мкм, то применение фотосопротивлений позволяет производить измерениядалекой инфракрасной области спектра (3÷4 мкм), а также в областях рентгеновского и гамма-излучений. Кроме того, они малогабаритны и имеют низкое напряжение питания. Недостаток фотосопротивлении — их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют большую по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2-30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике э.д.с. К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купроксные, сернисто-серебряные и др.
Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на космических спутниках и кораблях. К.п.д. этих батарей составляет ≈10% и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до ≈22%, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд.
Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д.
Редкие металлы в электронике и электроэнергетике
Редкие, и в частности редкоземельные, металлы находят весьма широкое применение в различных высокотехнологичных отраслях. Машиностроение, металлургия, химическая промышленность, солнечная энергетика, атомная и водородная энергетика, приборостроение, электроника, – всюду используются редкоземельные металлы. Перечислять все области применения редкоземельных металлов можно очень долго, однако давайте рассмотрим часть этого обширного спектра применительно непосредственно к электронике и электроэнергетике.
С каждым годом растет объем редкоземельных металлов, используемых не только в компьютерной технике, но и в экономичных источниках света. Например, в США за счет этого прогнозируют снижение энергопотребления на освещение в 2 раза. Там уже созданы лампы с люминофорами, содержащими тербий, иттрий, церий, европий, что позволило до 3 раз повысить светоотдачу при соответствующей экономичности.
Сверхпроводящие материалы на базе ниобия позволили японцам создать настолько сильные магниты, что скоростные поезда на воздушной подушке, развивающие скорость до 581км/ч уже построены и эксплуатируются.
Большое значение имеют фотоэлектрическое свойства рубидия и цезия, обуславливающие их востребованность для построения фотоумножителей, фотоэлементов, и других фотоэлектрических приборов. Свойства цезия и рубидия похожи, поэтому данные металлы во многом взаимозаменяемы.
Вообще эти металлы довольно широко используются и в радио, и в электротехнике, и в электронике, они применяются в производстве люминесцентных ламп, а соединения цезия и рубидия, как и сами металлы, удобны в качестве катализаторов и препаратов в неорганическом и органическом синтезе.
Литий главным образом применяется в ядерной энергетике и при электролизе алюминия. Карбонат лития, в качестве добавки к алюминию, снижает температуру плавления электролита, уменьшает расход анода и криолита, способствует энергосбережению и снижает себестоимость металла.
Стекло для катодно-лучевых трубок, кинескопы, стекла с электроизоляционными свойствами, - в этих областях добавки лития играют немаловажную роль. Безусловно, литий обширно применяется и в химических источниках тока.
Особенно в сфере высоких технологий распространен скандий: системы хранения данных с высокой скоростью обмена информацией; добавленный в ртутную лампу иоид скандия, в очень небольшом количестве, приближает ее свет к естественному солнечному. Из хромида скандия делают электроды для МГД-генераторов. Также скандий входит в состав материалов для солнечных батарей.
Тантал в качестве материала анодных пленок с особыми диэлектрическими свойствами находит применение в электронике. Электролитические конденсаторы на его основе качественнее алюминиевых, хоть и рассчитаны на работу при меньшем напряжении.
Титан, как и его сплавы, отличается повышенной прочностью даже при высоких температурах, коррозийной стойкостью, и при этом малой плотностью. Из него изготавливают сетки и другие детали электровакуумных приборов, работающих при высоких температурах.
Основа жаропрочных сплавов – вольфрам. Из вольфрама изготавливают нити накаливания и другие детали электровакуумных приборов.
Сплавы молибдена, как и сам молибден, применяются для изготовления деталей электровакуумных приборов, предназначенных для длительной работы при температурах до 1800°С в вакууме.
Из молибдена изготовлено многочисленное оборудование для работы в агрессивных средах, в том числе и элементы ядерных реакторов. Высокотемпературные печи, электрические вводы лампочек, - здесь используют молибденовую ленту.
Особенно высоким спросом пользуются оксиды неодима и диспрозия, служащие для производства мощных магнитов.
Висмут участвует в производстве полупроводниковых материалов, в частности для термоэлектрических приборов, к таким материалам относятся теллурид и селенид висмута, а висмут-цезий-теллур дает перспективу для производства полупроводниковых холодильников суперпроцессоров.
Особо чистый висмут позволяет получать обмотки для измерения магнитных полей, поскольку сопротивление висмута почти линейно зависит от магнитного поля, измеряя сопротивление такой обмотки можно узнавать напряженность внешнего магнитного поля. Также висмут – один из компонентов бессвинцовых и легкоплавких припоев, служащих для монтажа чувствительных СВЧ-компонентов.
Селен – дырочный проводник (p-типа), в качестве полупроводника, селен используется в солнечных батареях, работающих как в открытом космосе, так и на земле. Свинец, легированный селеном, - материал решеток аккумуляторов.
Теллур применяют в качестве легирующей примеси при производстве свинцово-кислотных аккумуляторов. Сплавы теллура со свинцом обладают высокой пластичностью и при этом прочны, поэтому из них делают и кабели. Сплав теллура, цезия и висмута позволил поставить рекорд полупроводникового холодильника, достигнута температура -237°C.
Стекла на основе теллура – полупроводники, и кроме электропроводности к их достоинствам относятся легкоплавкость и прозрачность. Такие стекла нашли применение в построении химической аппаратуры специального назначения.
Какой металл используется в фотоэлементах
Существует несколько типов солнечных панелей из редких металлов, и не все они имеют КПД выше, чем у монокристаллических кремниевых модулей. Однако способность работать в экстремальных условиях позволяет производителям таких солнечных панелей выпускать конкурентоспособную продукцию и проводить дальнейшие исследования.
Панели из теллурида кадмия активно используются при облицовке зданий в экваториальных и аравийских странах, где их поверхность нагревается днем до 70-80 градусов Основными сплавами, применяемыми для изготовления фотоэлектрических элементов, являются теллурид кадмия (CdTe), селенид индия- меди-галлия (CIGS) и селенид индия-меди (CIS).
Кадмий – токсический металл, а индий, галлий и теллур являются довольно редкими и дорогостоящими, поэтому массовое производство солнечных панелей на их основе даже теоретически невозможно. КПД таких панелей находится на уровне 25-35%, хотя в исключительных случаях может доходить до 40%.
Ранее их применяли в основном в космической отрасли, а сейчас появилось новое перспективное направление. Из-за стабильной работы фотоэлементов из редких металлов при температурах 130-150°C их используют в солнечных тепловых электростанциях. При этом лучи солнца от десятков или сотен зеркал концентрируются на небольшой панели, которая одновременно генерирует электроэнергию и обеспечивает передачу тепловой энергии водяному теплообменнику.
В результате нагрева воды образуется пар, который заставляет вращаться турбину и генерировать электроэнергию. Таким образом солнечная энергия преобразуется в электрическую одновременно двумя путями с максимальной эффективностью.
Полимерные и органические аналоги.
Фотоэлектрические модули на основе органических и полимерных соединений начали разрабатывать только в последнем десятилетии, но исследователи уже добились значительных успехов.
Наибольший прогресс демонстрирует европейская компания Heliatek, которая уже оснастила органическими солнечными панелями несколько высотных зданий. Толщина её рулонной пленочной конструкции типа HeliaFilm составляет всего 1 мм. При производстве полимерных панелей используются такие вещества, как углеродные фуллерены, фталоцианин меди, полифенилен и другие. КПД таких фотоэлементов уже достигает 14-15%, а стоимость производства в разы меньше, чем кристаллических солнечных панелей.
Остро стоит вопрос срока деградации органического рабочего слоя. Пока что достоверно подтвердить уровень его КПД через несколько лет эксплуатации не представляется возможным. Преимуществами органических солнечных панелей являются: возможность экологически безопасной утилизации; дешевизна производства; гибкая конструкция.
К недостаткам таких фотоэлементов можно отнести относительно низкий КПД и отсутствие достоверной информации о сроках стабильной работы панелей. Возможно, что через 5-10 лет все минусы органических солнечных фотоэлементов исчезнут, и они станут серьезными конкурентами для кремниевых пластин.
Сравнение моно, поли и аморфных солнечных батарей
При выборе модуля часто задается вопрос: какая солнечная батарея лучше – монокристаллическая или поликристаллическая, а может аморфная? Ведь они самые распространенные в наш век. Чтобы найти ответ, было проведено множество исследований. Рассмотрим, что же показали результаты.
***КПД и срок службы
Монокристаллические элементы имеют КПД около 17-22%, сроки их службы не менее 25 лет. Эффективность поликристаллических может достигать 12-18%, служат они тоже не менее 25 лет. КПД аморфных составляет 6-8% и снижается гораздо быстрее кристаллических, работают они не более 10 лет.
***Температурный коэффициент
В реальных условиях использования солнечные батареи нагревается, что приводит к снижению номинальной мощности на 15-25%. Средний температурный коэффициент для поли и моно составляет -0,45%, аморфного -0,19%. Это значит, что при повышении температуры на 1°C от стандартных условий кристаллические батареи будут менее производительными, чем аморфные.
***Потеря эффективности
Деградация солнечных монокристаллических и поликристаллических модулей зависит от качества исходных элементов – чем больше в них бора и кислорода, тем быстрее снижается КПД. В поликремниевых пластинах меньше кислорода, в монокремниевых – бора. Поэтому при равных качествах материала и условий использования особой разницы между степенью деградации тех и других модулей нет, в среднем она составляет около 1% в год. В производстве аморфных батарей используется гидрогенизированный кремний. Содержанием водорода обусловлена его более быстрая деградация. Так, кристаллические деградируют на 20% через 25 лет эксплуатации, аморфные быстрее в 2-3 раза. Однако некачественные модели могут потерять эффективность на 20% уже в первый год использования. Это стоит учесть при покупке.
***Стоимость
Тут превосходство полностью на стороне аморфных модулей – их цена ниже, чем кристаллических, из-за более дешевого производства. Второе место занимают поли, моно же самые дорогие.
***Размеры и площадь установки
Монокристаллические батареи более компактны. Для создания массива требуемой мощностью понадобится меньшее количество панелей по сравнению с другими видами. Так что при установке они займут немного меньше места. Но прогресс не стоит на месте, и по соотношению мощность/площадь поликристаллические модули уже догоняют моно. Аморфные же пока отстают от них – для их установки понадобится в 2,5 раза больше места.
***Светочувствительность
Здесь лидируют аморфно-кремниевые модули. У них лучший коэффициент преобразования солнечной энергии из-за водорода в составе элемента. Поэтому они, по сравнению с кристаллическими, в условиях слабой освещенности работают эффективнее. Моно и поли, при плохом освещении работают примерно одинаково – значительно реагируют на изменение интенсивности света.
***Годовая выработка
В результате тестирования модулей разных производителей было установлено, что монокристаллические за год вырабатывают больше электроэнергии, чем поликристаллические. А те в свою очередь производительнее, чем аморфные, несмотря на то, что последние вырабатывают энергию и при слабой освещенности.
Можно сделать вывод, что солнечные батареи моно и поли имеют небольшие, но важные различия. Хотя mono все-таки эффективнее и отдача от них больше, но poly все равно будут пользоваться большей популярностью. Правда, это зависит от качества продукции. Тем не менее, большинство крупных солнечных электростанций собраны на базе полимодулей. Связано это с тем, что инвесторы смотрят на общую стоимость проекта и сроки окупаемости, а не на максимальную эффективность и долговечность.
Теперь об аморфных батареях. Начнем с преимуществ: метод их изготовления самый простой и малобюджетный, потому что не требуется резка и обработка кремния. Это отражается в невысокой стоимости конечной продукции. Они неприхотливы – их можно установить куда угодно, и не привередливы – пыль и пасмурная погода им не страшны.
Однако у аморфных модулей есть и недостатки, перекрывающие их достоинства: по сравнению с вышеописанными видами, у них самый низкий КПД, они быстрее деградируют – эффективность снижается на 40% менее чем за 10 лет, и требуют много места для установки.
Мощность солнечных панелей для автономных систем выбирается исходя из необходимой вырабатываемой мощности, времени года и географического положения.
Необходимая вырабатываемая мощность определяется мощностью, требуемой потребителям электроэнергии, которые планируется использовать. При расчете стоит учитывать потери на преобразование постоянного напряжения в переменное, заряд-разряд аккумуляторов и потери в проводниках.
Солнечное излучение величина не постоянная и зависит от многих факторов – от времени года, времени суток, погодных условий и географического положения. Эти факторы также должны учитываться при расчете количества необходимой мощности солнечных панелей. Если планируется использование системы круглогодично, то расчет должен производиться с учетом самых неблагоприятных месяцев с точки зрения солнечного излучения.
При расчете для каждого конкретного региона необходимо проанализировать статистические данные о солнечной активности за несколько лет. На основании этих данных, определить усредненную действительную мощность солнечного потока на квадратный метр земной поверхности. Эти данные можно получить у местных или международных метеослужб. Статистические данные позволят с минимальной погрешностью спрогнозировать количество солнечной энергии для вашей системы, которая будет преобразована солнечными панелями в электроэнергию.
Фотоэлектрические материалы
Фотоэлектрическими материалами называются материалы, в которых наблюдается фотоэлектрический эффект (фотоэффект). Различают фотоэффект внешний и внутренний. На использовании фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов (фотоэлементов), имеющих разнообразное практическое применение.
Материалы с внешним фотоэффектом
Внешний фотоэффект (фотоэффект, фотоэлектронная эмиссия) – это испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения (света). Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Данное явление наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).
Схема установки для исследования фотоэффекта показана на рис. 1. Она представляет собой вакуумный электронный прибор, важнейшей частью которого является фотокатод, т.е. катод, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитного излучения и эмитирующий электроны в результате этого воздействия. Катод освещается светом. Под действием света из катода вырываются фотоэлектроны, которые летят к аноду и образуют фототок, регистрируемый миллиамперметром. С помощью такой установки, используя электроды, изготовленные из разных материалов, можно снимать вольт-амперные характеристики (ВАХ), т.е. зависимости силы фототока от напряжения между электродами.
На основе анализа ВАХ разнообразных материалов при различных частотах падающего на катод излучения и различных энергетических освещенностях катода были установлены следующие три закона внешнего фотоэффекта:
- Закон Столетова: при фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырываемых из катода в единицу времени, пропорционально интенсив-ности света (сила фототока насыщения пропорциональна энергетической освещенности катода);
- Максимальная начальная скорость (максимальная начальная кинетическая энергия) фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой;
- Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.
Рис. 1. Схема установки для исследования фотоэффекта
А. Эйнштейн показал, что явление фотоэффекта и его закономерности могут быть объяснены на основе предложенной им квантовой теории фотоэффекта.
Простейшим фотоэлементом с внешним фотоэффектом является вакуумный фотоэлемент, представляющий собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центральной части баллона. Фотоэлемент включается в цепь электрической батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света – сурьмяноцезиевый.
Поскольку вакуумные фотоэлементы безынерционны, то для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Это свойство обеспечивает возможности широко их использовать для создания фотометрических приборов. К таким приборам относятся: экспонометры, позволяющие выбирать и устанавливать необходимую экспозицию в зависимости от освещенности объекта съемки и светочувствительности фотоматериала (применяются в фотографии); люксметры, служащие для измерения освещенности, создаваемой различными источниками света (применяются для аттестации рабочих мест); спектрометры, служащие для исследования спектров электромагнитного излучения (применяются для неразрушающего контроля состава веществ); пирометры, позволяющие осуществлять бесконтактное измерение температуры тел (применяются для дистанционного определения температуры различных объектов в сталелитейной, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где большое значение приобретает контроль температур на различных технологических этапах производства, в строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве для определения тепловых потерь в зданиях и на теплотрассах, в энергетике для быстрого и точного контроля температуры на участках, не доступных или мало доступных для других способов измерения).
На рис. 2 показана схема фотоэлектрического пирометра. Фотоэлемент поочерёдно освещается то источником излучения, то эталонной лампой. При неравенстве создаваемых ими освещённостей в электрической цепи фотоэлемента возникает переменная составляющая фототока, амплитуда которой пропорциональна разности освещённостей. При измерениях ток накала лампы регулируют так, чтобы переменная составляющая фототока стала равна нулю.
Рис. 2. Схема фотоэлектрического пирометра: 1 – источник излучения; 2, 6 – линзы; 3 – модулятор, попеременно пропускающий излучение источника и эталонной лампы 4 к фотоэлементу 7; 5 – фильтр с узкой частотной полосой пропускания
Материалы с внутренним фотоэффектом
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением (светом) переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу, в результате чего концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению проводимости полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению ЭДС.
Электрон при поглощении фотона переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Оба этих носителя заряда при приложении к полупроводнику напряжения создают электрический ток. При возбуждении фотопроводимости в собственном (беспримесном) полупроводнике энергия фотона должна превышать ширину запрещенной зоны. В полупроводнике с примесями поглощение фотона может сопровождаться переходом из уровня, расположенного в запрещённой зоне, что позволяет увеличить длину волны света, который вызывает фотопроводимость. Данное обстоятельство важно для детектирования инфракрасного излучения.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, называемые полупроводниковыми фотоэлементами или фотосопротивлениями (фоторезисторами), характеризуются гораздо большей интегральной чувствительностью, чем вакуумные. Для их изготовления используют различные полупроводники, выбор которых позволяет получать избирательную фоточувствительность. Так, фоторезисторы на основе CdS и CdSe чувствительны к видимому и ультрафиолетовому излучению, а фоторезисторы на основе InSb и CdHgTe – к длинноволновому инфракрасному излучению. Фоторезисторы обладают стабильностью фотоэлектрических характеристик во времени, довольно малой инерционностью, а также простотой устройства, допускающей различные конструктивно-технологические решения.
Так как фоторезисторы предназначены для регистрации слабых световых потоков, то обычно величина полезного сигнала сравнима с шумовым током. Поэтому для фоторезисторов с целью уменьшения шумов используют специальные конструкции, позволяющие охлаждать фоторезистор (рис. 3).
Рис. 3. Конструкция фоторезистора с термоэлектрическим охлаждением: 1 – входное окно; 2 – фоточувствительный элемент; 3 – контактная колодка; 4 – предусилитель; 5 – теплоотвод; 6 – электрические выводы; 7 – основание; 8 – терморезистор; 9 – термоэлектрический охладитель
Фотодатчики применяются для измерения мощности импульсных ультрафиолетовых лазеров и распределения энергии по сечению пучка лазера. Их используют в приборах ночного видения, в устройствах для ксерографии, при которой электрические заряды стекают с засвеченных мест предварительно наэлектризованной поверхности полупроводникового барабана. С их помощью можно измерять перемещение и подсчитывать число предметов, определять прозрачность и цвет различных материалов, оценивать качество обработанной поверхности (блеск, шероховатость, окраска), анализировать электрические свойства полупроводниковых структур.
На рис. 4 в качестве примера показано применение фотодатчика в устройстве автоматического затемнения зеркала заднего вида автомобиля. Как показывает практика вождения, при ослеплении ярким светом через зеркало заднего вида наблюдается кратковременная потеря зрения и увеличивается время реакции водителя. Поэтому находят все более широкое распространение специальные темнеющие зеркала заднего вида, не допускающие ослепление водителей светом фар сзади движущегося транспортного средства.
Ранние варианты зеркал, изменяющих обратный световой поток, были устроены аналогично жидкокристаллическим дисплеям: между двумя стеклянными пластинами находился тонкий слой жидкости, которая изменяла коэффициент поглощения света под воздействием приложенного электрического напряжения. Недостатком таких зеркал являлось уменьшение быстродействия при низких температурах. Для устранения этого нежелательного явления был необходим подогрев зеркал, что усложняло конструкцию.
Рис. 4. Автоматически темнеющее зеркало заднего вида: 1 – фотодатчик, направленный назад; 2 – электронная плата; 3 – ветровое стекло; 4 – фотодатчик, направленный вперед
В более современных вариантах зеркал используется эффект обратимого изменения светопропускания. Его обеспечивают электрохромные пленки окислов ряда металлов, в частности, оксида вольфрама, которые наносятся непосредственно на стекло. Зеркало получается однослойным, не боится холода и к тому же потребляет ток лишь в моменты переключения. Такие зеркала сегодня применяются на автомобилях многих марок.
В последние годы начали производить автоматически темнеющие зеркала. Прозрачность стекла в них регулируется контроллером, сравнивающим сигналы от двух фотодатчиков. Первый датчик, направленный вперед, измеряет общую освещенность, второй, обращенный назад, ловит лучи фар автомобилей, едущих сзади. При слишком большой разнице между показаниями датчиков (спереди темно, сзади ярко), свидетельствующей об опасности ослепления, выдается команда затемнить стекла зеркал.
Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект лежит в основе действия фотодиодов.
В фотодиодах используется односторонняя проводимость p-nперехода. Различают два режима работы фотодиодов: фотогальванический и фотодиодный.
В фотогальваническом режиме фотодиоду не требуется источник питания, так как при освещении p-n-перехода появляется ЭДС, под действием которой возникает ток во внешней цепи. Таким образом, фотодиоды, работая в этом режиме, непосредственно преобразуют энергию света в электрическую энергию.
Фотодиоды, работающие в фотогальваническом режиме, применяются для создания солнечных батарей – систем преобразователей энергии солнечного света в электрический ток (рис. 5). Такие батареи уже в течение многих лет работают на космических спутниках и кораблях, где они являются одним из основных источников получения электрической энергии, поскольку могут работать долгое время без расхода каких-либо материалов и в то же время являются экологически безопасными (в отличие от ядерных и радиоизотопных источников энергии). В последние годы солнечные батареи все шире используются в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд. Они служат для обеспечения электричеством и/или подзарядки аккумуляторов различной бытовой электронной техники (калькуляторов, плееров, фонариков и т.п.), для подзарядки электромобилей. Их устанавливают на крышах зданий, а также на открытых территориях довольно значительной площади (прежде всего, в регионах с большим количеством солнечных дней в году).
Рис. 5. Солнечные батареи: слева направо – на крыше дома, на крыше автомобиля, на борту космической станции
В фотодиодном режиме к фотодиоду прикладывается напряжение обратной полярности, т. е. такое, при котором обычный диод не проводит ток (находится в запертом состоянии). При освещении фотодиода (области p-n-перехода) обратный ток резко увеличивается, фотодиод начинает проводить ток в обратном направлении.
Фотодиоды, работающие в фотодиодном режиме, применяются в схемах фотореле (такое же применение находят фототранзисторы, совмещающие свойства фотодиода и усилительного транзистора).
Фотореле в общем случае состоит из осветителя, создающего световой поток, и приемника излучения (фоторезистора, фотодиода или фототранзистора). Приемник излучения включается в цепь обмотки электромеханического реле (непосредственно или чаще через усилитель). При воздействии светового потока на приемник скачком изменяется фототок и срабатывает реле, осуществляя необходимые переключения в схеме управления каким-либо устройством. Такие фотореле используются в турникетах, пропускающих пассажиров в метро, фиксируют достижение различными механизмами определенных положений. Они широко применяются в автоматических устройствах защиты обслуживающего персонала от производственных травм (например, когда рука рабочего случайно пересекает световой барьер, ограждающий опасную зону, подается предупреждающий сигнал или механизм вообще останавливается). Линейку фотодиодов используют для измерения размеров детали, перемещаемой на конвейере: деталь перекрывает световой поток и затемняет такое количество фотодиодов, которое соответствует высоте детали. Измерять длину перемещаемой детали можно и по сигналу одного фотодатчика. В этом случае деталь, пересекая передней кромкой световой барьер, дает сигнал на подсчет числа импульсов. Когда фотодатчик снова освещается, подсчет импульсов завершается. По количеству импульсов, зафиксированному счетчиком, определяется длина движущегося предмета. Датчик импульсов с помощью кинематической схемы связан с приводом конвейера, поэтому колебания скорости движения детали не влияют на точность измерения ее длины.
Читайте также: