Фотоэлементы

Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобра­зования энергии излучения в электри­ческую энергию. По существу, они пред­ставляют собой фотодиоды, работаю­щие без источника внешнего напряже­ния и создающие собственную ЭДС под действием излучения.

Фотоны, воздействуя на и —р-пере-ход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей за­ряда. Возникшие в и- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели реком-бинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имею­щегося в переходе. Это поле также действует и на носители заряда, возни­кающие в самом переходе. Поле разде­ляет электроны и дырки. Для неоснов­ных носителей, например для электро­нов, возникших в р-области, поле пере­хода является ускоряющим. Оно пере­брасывает электроны в и-область. Анало­гично дырки перебрасываются полем из и-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, ноле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей об­ласти, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны — в n-области (рис. 13.7).

Рис. 13.6. Принцип устройства планарного фотодиода

Рис. 13.7. Разделение возбужденных светом носителей под действием поля л —/^-перехода

В результате такого процесса в п- и р-областях накапливаются избыточ­ные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и ды­рок и возникает разность потенциалов, которую называют фото-ЭДС (£_ф). С увеличением светового потока фото-ЭДС растет по нелинейному закону (рис. 13.8). Значение ЭДС может достигать несколь­ких десятых долей. вольта. При вклю­чении полупроводникового фотоэлемен­та на нагрузку (рис. 13.9) возникает фототок /_ф = -Еф/(Я_Н + Rt), где R_t -внутреннее сопротивление самого фото­элемента.

Первые вентильные фотоэлементы из гемиоксида (закиси) меди были раз­работаны еще в 1926 г. В дальнейшем особенно широко применялись селено­вые фотоэлементы, сделанные на основе селена р-типа. В пластинке такого селена создавался тонкий слой и-типа, на кото­рый воздействовал световой поток. Ин­тегральная чувствительность селеновых фотоэлементов доходила до нескольких сотен микроампер на люмен. Они име­ли спектральную характеристику почти такую же, как у человеческого глаза, что было удобно для различных фото­метрических методов. Значительный ин­терес представляли сернистоталлиевые фотоэлементы, которые разработал в СССР Б. Т. Коломиец. У них чувстви­тельность достигала тысяч микроампер на люмен. Недостаток вентильных фо­тоэлементов — низкие частотные свой­ства и значительная зависимость ин­тегральной чувствительности от темпе­ратуры.

Рис. 13.9. Схема включения фотоэлемента

Рис. 13.8. Зависимость фото-ЭДС от свето­вого потока

В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, ис­пользуемые в качестве солнечных преоб­разователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких эле­ментов путем последовательного и па­раллельного соединения создаются сол­нечные батареи, которые обладают срав­нительно высоким КПД (до 20%) и мо­гут развивать мощность до нескольких киловатт. Солнечные батареи из крем­ниевых фотоэлементов — это основные источники питания на искусственных спутниках Земли, космических кораблях, автоматических метеостанциях и др. Практическое применение солнечных ба­тарей непрерывно расширяется.

Дата добавления: 2014-01-14