Фотоэлемент

Фотоэлемент — это электронный прибор, преобразующий энергию электромагнитного излучения (в частности, видимого света, инфракрасного или ультрафиолетового излучения) в электрическую энергию или изменяющий свои электрические характеристики под действием света. Фотоэлементы являются основным компонентом фотоэлектрических систем и широко применяются в автоматике, измерительной технике, энергетике и бытовой электронике.

Принцип действия

Основой работы фотоэлемента является внешний или внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект заключается в эмиссии электронов с поверхности вещества (обычно металла или полупроводника) под действием падающих фотонов. Внутренний фотоэффект проявляется в изменении электропроводности полупроводника или возникновении в нём электродвижущей силы (ЭДС) при освещении.

В зависимости от типа фотоэффекта различают три основных класса фотоэлементов: фотоэмиссионные (вакуумные и газонаполненные), фотогальванические (полупроводниковые) и фоторезисторы (фотосопротивления).

История

Первое наблюдение фотоэффекта приписывается А. Э. Беккерелю, который в 1839 году обнаружил возникновение напряжения между электродами, помещёнными в электролит, при освещении. В 1873 году У. Смит и Дж. Мэй открыли фотопроводимость селена. В 1887 году Г. Герц экспериментально подтвердил влияние ультрафиолетового света на электрический разряд. В 1888 году А. Г. Столетов создал первый фотоэлемент с внешним фотоэффектом, названный впоследствии «столетовским фотоэлементом».

Теоретическое объяснение фотоэффекта было дано А. Эйнштейном в 1905 году, за что он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1921 году. В 1916 году Р. Милликен экспериментально подтвердил законы фотоэффекта. В 1954 году в Bell Labs был создан первый кремниевый солнечный элемент с КПД около 6%, что положило начало практическому использованию фотогальванических элементов.

Классификация

По типу фотоэффекта

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (фотоэмиссионные). Основаны на явлении вырывания электронов с поверхности катода под действием света. Представляют собой вакуумные или газонаполненные приборы (фотоэлектронные умножители, вакуумные фотоэлементы).
2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом. В них свет изменяет электрические свойства полупроводника. Делятся на:

• Фоторезисторы (фотосопротивления). Сопротивление материала уменьшается при освещении.
• Фотодиоды. Полупроводниковый диод, в котором под действием света возникает или изменяется обратный ток.
• Фототранзисторы. Транзистор, чувствительный к свету; фототок усиливается транзисторным эффектом.
• Фотогальванические элементы (солнечные элементы). Генерируют ЭДС при освещении за счёт разделения фотоносителей в p-n-переходе или гетеропереходе.

По спектральной чувствительности

• Ультрафиолетовые (чувствительны к излучению с длиной волны менее 400 нм).
• Видимого диапазона (400–700 нм).
• Инфракрасные (700 нм – 1 мм).

По конструктивному исполнению

• Вакуумные (с откачанным воздухом).
• Газонаполненные (с инертным газом).
• Твердотельные (полупроводниковые).

Устройство и характеристики

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Состоят из стеклянного или металлического баллона, в котором размещены катод (фоточувствительный слой) и анод. Катод изготавливается из щелочных металлов (цезий, калий, рубидий) или их соединений. При попадании света на катод происходит эмиссия электронов, которые собираются анодом, создавая фототок. Основные характеристики: интегральная чувствительность (до 200 мкА/лм), спектральная характеристика, темновой ток (единицы наноампер).

Фотогальванические элементы (солнечные элементы)

Представляют собой полупроводниковую пластину (обычно кремний) с p-n-переходом. На лицевую поверхность наносятся контактные сетки для сбора тока. При поглощении фотонов вблизи перехода образуются электронно-дырочные пары, которые разделяются внутренним электрическим полем, создавая фото-ЭДС. Основные параметры: напряжение холостого хода (0,5–0,7 В для кремниевых элементов), ток короткого замыкания, коэффициент полезного действия (КПД). КПД серийных кремниевых элементов составляет 15–22%, лабораторных образцов — до 47% (многопереходные структуры).

Фоторезисторы

Представляют собой слой полупроводника (сульфид кадмия, селенид кадмия, свинец и др.), нанесённый на изолирующую подложку с двумя электродами. При освещении проводимость материала возрастает. Основные характеристики: тёмновое сопротивление (от сотен Ом до десятков МОм), световое сопротивление (на несколько порядков меньше), время нарастания и спада фототока (от микросекунд до миллисекунд).

Применение

Фотоэлементы используются в различных областях:

• Солнечная энергетика. Фотогальванические элементы являются основой солнечных батарей, используемых для автономного электроснабжения, в космической технике, в бытовых и промышленных солнечных электростанциях.
• Автоматика и управление. Фотоэлементы применяются в фотореле (автоматическое включение освещения), датчиках движения, системах контроля доступа, считывателях штрих-кодов.
• Измерительная техника. Фотоэлементы используются в фотометрах, спектрофотометрах, люксметрах, пирометрах, оптических датчиках.
• Связь и оптоэлектроника. Фотодиоды и фототранзисторы являются приёмниками сигналов в оптоволоконных линиях связи, пультах дистанционного управления, оптических датчиках.
• Фотоэлектронные умножители (ФЭУ). Применяются для регистрации слабых световых потоков в научных исследованиях (ядерная физика, астрономия), в медицине (сцинтилляционные детекторы).
• Бытовая техника. Фотоэлементы используются в автоматических дверях, камерах, сенсорных выключателях, датчиках освещённости в смартфонах.

Интересные факты

• Первый практический фотоэлемент на основе селена был создан в 1876 году У. Адамсом и Р. Дэем.
• В 1888 году А. Г. Столетов построил первый фотоэлемент с внешним фотоэффектом, который мог управлять электрическим током.
• Крупнейшая в мире солнечная электростанция (на 2024 год) — «Бадла» в Индии (мощность 2,2 ГВт) использует миллионы фотоэлементов.
• КПД современных многопереходных солнечных элементов, используемых в космических аппаратах, превышает 40%.
• Фотоэлементы на основе перовскитов являются перспективным направлением, позволяющим достичь КПД до 25% при низкой стоимости производства.

Источники

• А. Г. Столетов. «Актиноэлектрические исследования». — М.: Наука, 1956.
• В. И. Гапонов, В. И. Стафеев. «Фотоэлементы и их применение». — М.: Энергия, 1970.
• М. М. Колтун. «Солнечные элементы». — М.: Наука, 1987.
• А. Л. Фрайман. «Физика полупроводниковых приборов». — М.: Высшая школа, 2005.
• ГОСТ 17772-88 «Приборы полупроводниковые фотоэлектрические. Термины и определения».