Что такое световая характеристика фотоэлемента

Фотоэлементы и их характеристики

Фотоэлементы, принцип действия которых основан на явлении внутреннего фотоэффекта, бывают двух видов – фотосопротивления (фоторезисторы) и вентильные фотоэлементы (фотодиоды, солнечные батареи).

Чувствительность фотосопротивлений значительно больше, чем у вакуумных фотоэлементов, в настоящее время они широко используются в устройствах сигнализации и автоматики.

Как известно, сопротивление проводников определяется геометрическими размерами и удельным сопротивлением вещества, проводящего электрический ток. Удельное сопротивление зависит от таких параметров вещества как концентрация и заряд носителей тока, а также их подвижность, определяющих удельную электропроводность:

, (2.2)

n – концентрация носителя

Подвижность носителей заряда определяет скорость их направленного движения (дрейфа) в электрическом поле. Исходя из закона Ома, записанного в дифференциальной форме, получаем выражение для плотности тока в проводнике:

(2.3)

Под воздействием света на полупроводник происходит дополнительная ионизация примесных атомов, приводящая к увеличению концентрации свободных носителей заряда, в n – типе такими носителями являются электроны, в p – типе – дырки. Вследствие этого удельное сопротивление уменьшается, т.е. наблюдается явление фотопроводимости.

К числу основных характеристик фотосопротивлений относятся вольт – амперные, световые и спектральные характеристики. Быстродействие фотосопротивлений описывается зависимостью чувствительности фотосопротивления от частоты прерывания светового потока.

Вольт – амперная характеристика выражает зависимость фототока I_Ф(при постоянном световом потоке) от приложенного напряжения U.Для большинствафотосопротивлений в рабочем режиме эта зависимость линейна. При этом под фототоком понимают разность между световым I_Си темновым I_Ттоком: I_Ф = I_С— I_Т.

Световая характеристика выражает зависимость фототока от падающего на фотосопротивление светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики фотосопротивления, как правило, нелинейны.

Спектральная характеристика выражает зависимость чувствительности фотосопротивления от длины волны света при постоянной величине светового потока и при постоянном приложенном напряжении.

Наиболее важным параметром любого фотоэлемента, в том числе и фотосопротивления, является чувствительность. При определении чувствительности фотосопротивления необходимо учитывать зависимость фототока от спектрального состава излучения и величины падающего светового потока, а также от величины приложенного напряжения. При этом различают удельную, спектральную, интегральную чувствительность и кратность изменения фотосопротивления.

Наиболее простой физический смысл имеет интегральная чувствительность. Из первого закона фотоэффекта (закона Столетова) известно, что величина фототока пропорциональна световому потоку.

Если ввести коэффициент пропорциональности γ, то можно записать равенство :

. (2.4)

Этот размерный коэффициент γ и представляет интегральную чувствительность, его размерность равна мкА/лм.

Поскольку, , то:

, (2.5)

т.е. в узком интервале освещенностей величина тока через фотосопротивление описывается выражением вида y = k x +b, представляющим уравнение прямой, заданной с помощью углового коэффициента. Этот коэффициент определяется как частная производная:

, или (2.6)

— изменение тока через фотосопротивление при изменении светового потока на величину ∆Ф. Если задать ∆Ф = 1 лм, то интегральная чувствительность γ будет численно равна ∆I_С ,т.е.изменению тока через фотосопротивление, вызванному световым потоком в 1 лм.

Спектральная чувствительность характеризует силу тока, возникающую под действием излучений в узком интервале длин волн. Спектральные характеристики наиболее распространенных фотосопротивлений приведены на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6. Спектральные характеристики фотосопротивлений

на основе полупроводниковых соединений.

К наиболее распространенным типам сопротивлений относятся ФС-А1, ФС-А4 из PbS, ФС-Б2 из BiS, ФС-К1, ФС-К2, ФСК-М1, ФСК-М2 из GdS. Буква М в обозначении указывает на монокристаллическую основу ФС.

Фотосопротивления устанавливают в пластмассовый или металлопластиковый корпус, такой корпусированный фотоэлемент часто называют фоторезистором. Он представляет собой омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника, нанесенного на изолированную подложку, и содержащее два металлических электрода, соединенных с выводами.

Основу фотоэлементов составляет полупроводниковый слой, содержащий p-n – переход. Наиболее распространенными фотоэлементами до недавнего времени были селеновые, в настоящее время серийно производятся кремниевые фотодиоды и солнечные батареи.

Основными характеристиками вентильных фотоэлементов как и фоторезисторов являются вольт – амперная характеристика, световая характеристика, спектральная характеристика фоточувствительности, интегральная чувствительность фотоэлемента. Кроме того, важнейшими параметрами являются фото – ЭДС элемента и ток короткого замыкания, который рассчитывается по закону Ома для замкнутой цепи:

, (2.7)

– фото-ЭДС при заданной освещенности,

R_Ф – внутреннее сопротивление фотоэлемента.

Внутреннее сопротивление фотоэлемента оказывается различным при различной освещенности фотоэлемента. Его можно определить, используя закон Ома и измерив силу тока в цепи фотоэлемента при различных сопротивлениях нагрузки.

, откуда: (2.8)

I – сила тока в цепи при сопротивлении нагрузки R_Н;

R_Н – сопротивление нагрузки (магазин сопротивлений);

R_A – сопротивление микроамперметра.

Вольт – амперная характеристика (ВАХ) вентильного фотоэлемента (фотодиода) при двух освещенностях приведена на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 – Вольт – амперная характеристика вентильного

фотоэлемента при разных освещенностях

ВАХ p-n – перехода в отсутствии освещения может быть описана следующим выражением:

, (2.9)

где: I_S – ток насыщения неосвещенного p-n – перехода,

k – постоянная Больцмана,

e – заряд электрона,

T – абсолютная температура.

Знак “+” соответствует прямой ветви ВАХ, знак “ – ” относится к

обратной ветви (обратному направлению внешнего поля).

U – напряжение внешнего источника.

При освещении p-n – перехода светом увеличивается темп генерации неосновных носителей за счет дополнительной ионизации примесных атомов. Обратный ток заметно возрастает на величину I_Ф.Величина фото –ЭДС при этом также увеличивается. Таким образом вентильные фотоэлементы позволяют осуществить прямое преобразование лучистой энергии в электрическую, поэтому их иначе называют фотогальваническими элементами. Участок ВАХ, расположенный в IV квадранте наиболее информативен. Для снятия этого участка ВАХ не требуется внешнего источника тока. Фотоэлемент освещают постоянным световым потоком и подключают к сопротивлению нагрузки, которая меняется от 0 до ∞, измеряют падение напряжения на сопротивлении нагрузки и силу тока в замкнутой цепи. Такой режим измерений называется фотогальваническим. ВАХ вентильного элемента в фотогальваническом режиме можно построить по точкам, зная фото – ЭДС и силу тока в замкнутой цепи. Напряжение на сопротивлении нагрузки в рассчитывается по закону Ома :

(2.10)

Сила тока при этом измеряется при разных сопротивлениях нагрузки. Примерный вид ВАХ приведен на рисунке 2.8.

Источник

5.3.3. Основные характеристики и параметры

Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фото-ЭДС) при разных освещенностях или световых потоках соответствуют части вольт-амперной характеристики, расположенные в четвертом квадранте (рис. 5.14). Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС или напряже­ниям холостого хода при разных освещен­ностях. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0,5 – 0,55 В.

Рис. 5.13. Структура крем­ниевого

методом диффу­зии примесей

Рис. 5.14. ВАХ фотоэлемента при различных световых потоках, падающих на фотоэлемент

Рис. 5.15. Световые характеристики фотоэлемента при различных сопротивлениях нагрузки (а) и напряжение холостого хода в зависимости от светового потока (б)

По ВАХ при разных освещенностях фо­тоэлемента можно выбрать оптимальный ре­жим работы фотоэлемента, т.е. оптималь­ное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному ре­жиму работы фотоэлемента соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности (см. рис. 5.14).

Световые характеристики фотоэлемента – это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания от светового потока или от освещенности фотоэлемента (рис.5.15, а). Сублинейность све­товых характеристик связана с умень­шением высоты потенциального барь­ера при накоплении избыточного за­ряда электронов в n-области и дырок в p-области.

Напряжение холостого хода возрастает с ростом светового потока по зависимости, близкой к логарифмической, стремясь к контактной разности потенциалов, электрическое поле которой и разделяет неравновесные фотоносители (рис. 5.15, б).

Спектральная характеристика фо­тоэлемента – это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Спектральные ха­рактеристики фотоэлементов анало­гичны спектральным характеристикам фотодиодов, изготовленных на основе того же полупроводника. Максимум спектральной характеристики крем­ниевых фотоэлементов почти соответ­ствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света. Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей (рис. 5.16).

Рис. 5.16. Схемы фотоэлектрических энергоустано­вок с концентраторами

солнечного излучения: а – в виде зеркал; б – в виде линз Френеля: 1 –холодильник;

2 – фотоэлемент; 3 – зеркало-концентратор; 4 – линза Френеля

Коэффициент полезного действия фотоэлемента – это отно­шение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности лучистого потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

При преобразовании солнечного света в элек­трическую энергию КПД кремниевых фотоэлементов не превыша­ет 12 %. Однако его можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсенид галлия и другие материалы с несколько большей шириной запре­щенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов.

Основными направлениями работ по дальнейшему снижению стоимости «солнечной» электроэнергии являются:

· получение элементов на основе дешевого, в том числе ленточного, поликри­
сталлического кремния;

· разработка дешевых тон­копленочных элементов на основе аморфного кремния и других полупроводниковых материалов;

· осуществление преобразования концентрирован­ного солнечного излучения с помощью высокоэф­фективных элементов на основе кремния и отно­сительно нового полупроводникового материала алюминий-галлий-мышьяк.

На рис. 5.16 показаны две принципиальные схемы фотоэлектрических установок с концентра­торами солнечного излучения. Линза Френеля (рис. 5.16, б) пред­ставляет собой выполненную из органического стекла пластину толщиной 1 – 3 мм, одна сторона которой является плоской, а на другой образован профиль в виде кон­центрических колец, повторяющий профиль выпук­лой линзы. Линзы Френеля существенно дешевле обычных выпуклых линз и обеспечивают при этом степень концентрирования в 2 – 3 тысячи раз.

В последние годы в мире достигнут значитель­ный прогресс в области разработки кремниевых солнечных элементов, работающих при концентри­рованном солнечном облучении. Созданы кремни­евые элементы с КПД > 25 % в условиях облучения на поверхности Земли при степени концентрирования 20 – 50 крат. Значительно большие степени кон­центрирования допускают фотоэлементы на основе полупроводникового материала алюминий-гал­лий-мышьяк. В та­ких солнечных элементах достигаются значения КПД больше 25 % при степени концентрирования до 1000 крат. Несмотря на большую стоимость таких элементов, их вклад в стоимость получаемой элект­роэнергии

не оказывается определяющим при вы­соких степенях концентрирования солнечного из­лучения вследствие существенного (до 1000 раз) снижения их площади.

В на­стоящее время разрабатываются каскадные солнечные элементы, которые позволяют достичь существен­ного увеличения КПД. В каскадном солнечном эле­менте солнечный спектр расщепляется на две (или более) части, например, видимую и инфракрасную, каждая из которых преобразуется с помощью фото­элементов, выполненных на основе различных ма­териалов. В этом случае снижаются потери энергии квантов солнечного излучения. Например, в двух­элементных каскадах теоретическое значение КПД превышает 40 %.

Источник

Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов

Фотоэлемент, принцип работы и виды фотоэлементов.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Фотоэлемент ( фотоэлектрический элемент). Вакуумный фотоэлемент. Полупроводниковый фотоэлемент. Вентильный фотоэлемент:

Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано соответственно либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте или вентильном (барьерном) фотоэффекте.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

На основе вакуумных фотоэлементов создаются оптические реле – элементы автоматических устройств, из которых образовываются различные автоматы с электронным зрением. Они широко используются во многих технологических процессах в промышленности.

Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводниковые фотоэлементы также используются для создания оптических реле, применяемых во многих автоматических устройствах в промышленности.

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области p–n перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в p–n переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.

Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей . Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

КПД фотоэлементов:

КПД производимых в промышленных масштабах полупроводниковых фотоэлементов в среднем составляет 16-19 %, у лучших образцов – до 25 %. В лабораторных условиях уже достигнуты фотоэлементы с КПД порядка 44-45 %.

Ниже в таблице приводится КПД некоторых фотоэлектрических элементов , произведенных на основе различных материалов.

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Такие огромные потери полупроводниковых фотоэлементов (невысокий КПД преобразования солнечного света в электрическую энергию) вызваны отражением солнечного излучения от поверхности фотоэлектрического преобразователя; прохождением части солнечного излучения через фотоэлемент без поглощения в нём; рассеянием избыточной энергии фотонов на тепловые колебания кристаллической решётки; рекомбинацией образовавшихся пар носителей зарядов; внутренним сопротивлением самого фотоэлемента и другими физическими процессами.

Повышение КПД фотоэлементов возможно за счет:

– направленного улучшения свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

– перехода от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

– оптимизации конструктивных параметров фотоэлектрического преобразователя (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

– применения многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту фотоэлемента от космической радиации;

– разработки фотоэлементов, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

– создания каскадных фотоэлементов из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

– создания фотоэлектрических преобразователей с двухсторонней чувствительностью (добавляют дополнительные 80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны);

– применения люминесцентно-переизлучающих структур;

– предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным фотоэлементами;

– использования различных нанослоев и нанопокрытий фотоэлементов и т.д.

Применение фотоэлементов:

Фотоэлементы используются:

– в солнечных батареях и электростанциях,

– в защитных устройствах,

– в системах управления производственными процессами,

– в химических анализаторах,

– в системах контроля за сгоранием топлива, за температурой,

– для контроля качества продукции массового производства,

Источник