30.11.2021г. ГРУППА  308.  ФИЗИКА.   ТЕМА «ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ, ПРИМЕНЕНИЕ"

Фотоэффект — это выбивание электронов из атомов под действием света. Существует внешний и внутренний фотоэффект. Кратко поговорим о внутреннем фотоэффекте, узнаем, кем открыт, его особенности и характеристики.

Открытие фотоэффекта

Итак, фотоэффект бывает внешний и внутренний.

При внешнем фотоэффекте электроны выходят из вещества либо в вакуум, либо в газовую среду, окружающую вещество. При внутреннем фотоэффекте электроны остаются в веществе.

Исторически первым был открыт внутренний фотоэффект, поскольку оборудование для его наблюдения появилось раньше.

Впервые проявление фотоэффекта — фотогальванический эффект — наблюдал А. Беккерель в 1839 г. При освещении платиновых пластин, погруженных в раствор электролита, гальванометр начинал регистрировать ЭДС.

Фотоэффект в твердом веществе — селене — открыл У. Смит, занимавшийся поиском проводников с высоким удельным сопротивлением. При исследовании селеновых образцов в 1873 г. было замечено, что их сопротивление существенно меняется при измерениях. Заинтересовавшись этим явлением, У. Смит выяснил, что сопротивление селена уменьшается при освещении его светом.

 В 1883 г. Ч. Фритс создал первый селеновый фотоэлемент.

Свойства внутреннего фотоэффекта

Теория внешнего фотоэффекта была разработана в 1905 г. А. Эйнштейном. Согласно ей свет существует только в виде порций-квантов (фотонов). Излучение или поглощение фотона возможно только целиком. Причем энергия фотона пропорциональна его частоте. При внешнем фотоэффекте эта энергия частично тратится на разрыв связей электрона в атоме (работа выхода Aвых), а оставшаяся

часть-это кинетическая энергия электронов, покинувших вещество:

           

Эта формула применима и к внутреннему фотоэффекту, точно также энергия фотоэффекта затрачивается на работу выхода, но остаток  энергии переходит не в кинетическую энергию электронов, вылетевших из вещества, а на создание разности потенциалов в веществе.

    Для внутреннего фотоэффекта, как и для внешнего существует красная граница, 

частота, ниже которой энергия фотонов недостаточна, чтобы совершить работу выхода. Фотоэффект при этом исчезает.

                                  ПРИМЕНЕНИЕ  ВНУТРЕННЕГО ФОТОЭФФЕКТА

Первоначально стал использоваться внешний фотоэффект. Это были вакуумные фотоэлементы.

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы^[1]. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте^[2]. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Фотоэлемент на основе мультикристаллического кремния

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %^[3]. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %^[4], 44,4 %^[5], 44,7 %^[6].

Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньших температурной зависимости и деградации со временем.

Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП 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.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих структур, линз Френеля, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.^{[источник не указан 3945 дней]}

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью^{[источник не указан 3945 дней]}. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se₂ и арсенид галлия (GaAs ).

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.

ЗАДАНИЕ.

1. Подготовьте конспект

2.Подготовьте презентацию по теме "Роль фотоэффекта в жизни человека"