Сірчасто-срібний фотоелемент (ФЕСС-У)
Битюцька Алла Олександрівна,31 група
ТО14 (технологічна освіта 2014 рік вступу)
Схематичне зображення фотоелемента із зовнішнім (а) і внутрішнім (б) фотоефектом; T• — фотокатод; А — анод; Ф — світловий потік; n і p — області напівпровідника з донорною і акцепторною домішками; Е — джерело постійного струму, пристрій для створення в просторі між T• і А електричного поля, прискорюючого фотоелектрони; R н — навантаження; пунктирною лінією позначений р — n-перехід.
Зміст
Загальний опис (принцип дії)
Фотоелемент сірчасто-срібний (ФЕСС-У) Фотоелемент сірчасто-срібний (ФЕСС-У) Призначений для одержання електричної енергії з світлової. В останній час розроблено велику кількість фотоелектричних приладів, які з успіхом застосовуються в багатьох лабораторіях. Фотоелемент, електронний прилад, в якому в результаті поглинання енергії падаючого на нього оптичного випромінювання генерується ЕРС (електрорушійна сила) ,( фотоерс ) або електричний струм (фотострум). Дія фотоелементу грунтується на фотоелектронній емісії або фотоефекті внутрішнього фотоелементу, дія якого заснована на фотоелектронній емісії, є електровакуумний прилад з 2 електродами – фотокатодомі анодом (колектором електронів), поміщеними у вакуумну або газонаповнену скляну або кварцеву колбу. Світловий потік, падаючий на фотокатод, викликає фотоелектронну емісію з його поверхні; при замиканні ланцюга фотоелемент у ній протікає фотострум, пропорційний світловому потоку. У газонаповнених фотоелементах в результаті іонізації газу і виникнення несамостійного лавинного електричного розряду в газах фотострум посилюється. Найбільш поширені фотоелементи з сурм'яно-цезієвим і киснево-срібний-цезієвим фотокатодами.
Фотоелемент, дія якого заснована на внутрішньому фотоефекті, – напівпровідниковий прилад з гомогенним електронно-дірковим переходом ( р–n -переходом) , напівпровідниковим гетеропереходом або контактом метал-напівпровідник .Поглинання оптичного випромінювання в таких фотоелементах приводить до збільшення числа вільних носіїв усередині напівпровідника . Під дією електричного поля переходу (контакту) носії заряду просторово розділяються (наприклад, у фотоелементі з р–n -переходом електрони накопичуються в n - області, а дірки – в р - області), в результаті між шарами виникає фотоерс; при замиканні зовнішнього ланцюга Фотоелемента через навантаження починає протікати електричний струм. Матеріалами, з яких виконують напівпровідникові фотоелементи, служать Se, Gaas, CDS, Ge, Si і ін. Фотоелемент зазвичай служать приймачами випромінювання або приймачами світла (напівпровідникові фотоелементи в цьому випадку не зрідка ототожнюють з фотодіодами. Напівпровідникові фотоелементи використовують також для прямого перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію – в сонячних батареях, фотоелектричних генераторах . Основні параметри і характеристики фотоелементів: 1) Інтегральна чутливість (ІЧ) – відношення фотоструму до того, що викликає його світловому потоку при номінальній анодній напрузі (у вакуумних фотоелементах) або при короткозамкнутих виводах (в напівпровідникових фотоелементах). Для визначення ІЧ використовують, як правило, еталонні джерела світла (наприклад, лампу розжарювання з відтворним значенням колірної температури нитки, зазвичай рівним 2840 До). Так, у вакуумних Фотоелементах (з сурм'яно-цезієвим катодом) ІЧ складає близько 150 мкА/лм, в селенових – 600–700 мкА/лм, в германієвих – 3×10 4 мкА/лм. 2) Спектральна чутливість – величина, що визначає діапазон значень довжин хвиль оптичного випромінювання, в якому практично можливо використовувати даний Фотоелемент. Так, у вакуумних Фотоелементах з сурм'яно-цезієвим катодом цей діапазон складає 0,2–0,7 мкм, в кремнієвих – 0,4–1,1 мкм, в германієвих – 0,5–2,0 мкм. 3) Вольтамперна характеристика – залежність фотоструму від напруги на Фотоелементах при постійному значенні світлового потоку; дозволяє визначити оптимальний робочий режим фотоелементу .Наприклад, у вакуумних фотоелементах робочий режим вибирається в області насичення (область, в якій фотострум практично не міняється із зростанням напруги). Значення фотоструму (що виробляється, наприклад, кремнієвим фотоелементом, освітлюваним лампою розжарювання) можуть при оптимальному навантаженні досягати (з розрахунку на 1 см 2 освітлюваній поверхні) декілька десятків см (для кремнієвих фотоелементів, освітлюваних лампою розжарювання), а фотоерс – декількох сотень см. 4)ККД, або коефіцієнт перетворення сонячного випромінювання (для напівпровідникових фотоелементах, використовуваних як перетворювачі енергії), – відношення електричної потужності, фотоелементи, що розвивається у номінальному навантаженні до падаючої світлової потужності. В кращих зразків фотоелементів ККД (коефіцієнт корисної дії) досягає 15–18%.Фотоелемент з сірчастого срібла мають істотну хибу: коефіцієнт корисної дії їх малий.
Історична довідка
Перший фотоелемент був заснований на зовнішньому фотоефекті,створив у 1888р. О.Столетов на основі фотоефекту. Внаслідок дослідження фотоелектричних властивостей сірчастого срібла в 1937 р. створено вентильний сірчасто-срібний фотоелемент, який після удосконалення став широко застосовуватися в практиці. Ульянін докладно описав спосіб виготовлення і властивості винайдених ним селеновихфотоелементів.Широкого застосування в заводських лабораторіях республіки й усієї країни набули розроблені в Інституті фізики під керівництвом академіка АН УРСР В. Є. Лашкарьова фотоелементи з сірчастого срібла.
Перше практичне використання кремнієвих сонячних батарей для енергетичних цілей мало місце не на Землі, а в навколоземному космічному просторі. В 1958 р. були запущені штучні супутники Землі, оснащені такими батареями —радянський „Супутник-3“ і американський „Авангард-1“.Слід зазначити, що науковою базою для створення перших сонячних батарей стала розробка теорії й технології напівпровідникових матеріалів і структур з р-n-переходом. Основні області застосування приладів на напівпровідникових матеріалах у той час бачилися в техніці перетворення електричної енергії (перетворення змінного струму в постійний, високочастотна генерація, перемикання і т.д.) і в електронних обладнаннях передачі й обробки інформації (радіо, зв'язок і т.д.). Додатково до„класичних“ напівпровідникових матеріалів —германію й кремнію, з 1950 р. почався синтез матеріалів типу АШВV. На початку 1960-х роківбули створені й перші сонячні фотоелементи з р-n-переходом на основі арсеніду галію. Уступаючи в ефективності кремнієвим фотоелементам, арсенід-галієві проте були здатні працювати навіть при значному нагріванні. Перше практичне застосування вдосконалених арсенід-галлієвих сонячних батарей для енергетичних цілей було ще більш екзотичним,чим у випадку кремнієвих батарей. Вони забезпечували електропостачання радянських космічних апаратів, що працюють на околицях планети Венера (1965р.), а також самохідних апаратів „Луноход-1“ і „Луноход-2“, що досліджувалиповерхню Місяця (1970 і 1972 рр.). Темпи зростання фотоелектричної енергетики,починаючи з 1990 р. , перевищили 10% і постійно збільшуються протягом останніх років. Уже в 1997 р.фотоелектрична енергетика за темпами зростання випередила вітрову. На кінець 2000 р. встановлена потужність фотоелектричних установок в світі оцінювалася в 750 МВт [10] з річним приростом 100 -120 МВт. У 2010 р. ця цифра сягнула 14.0 ГВт, а до 2020 р. має зрости до 200 ГВт, і до 2030 р. до 1830 ГВт.
У серпні 2009 р. вчені університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної ефективності сонячних батарей – 43% (тобто 43% сонячної енергії перетворюється на електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили б виробляти її в промислових масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах становить приблизно 25%.
У квітні 2012 року вчені з Австрії та Японії створили фотоелементи товщиною 1,9 мікрометра - це вдесятеро менше, ніж досі доступні найтонші елементи даного типу. Їх введуть в ужиток протягом 5 років.
Технічні характеристики
Основні параметри і характеристики фотоелементу: 1) Інтегральна чутливість (ІЧ) – відношення фотоструму до того, що викликає його світловому потоку при номінальній анодній напрузі (у вакуумних фотоелементах) або при короткозамкнутих виводах (в напівпровідникових фотоелементах). Для визначення ІЧ використовують, як правило, еталонні джерела світла (наприклад, лампу розжарювання з відтворним значенням колірної температури нитки, зазвичай рівним 2840 Т•). Так, у вакуумних фотоелементах (з сурм'яно-цезієвим катодом) ІЧ складає близько 150 мка/лм, в селенових – 600–700 мка/лм, в германієвих – 3×10 4 мка/лм). Спектральна чутливість – величина, що визначає діапазон значень довжин хвиль оптичного випромінювання, в якому практично можливо використовувати даний фотоелемент. Так, у вакуумних фотоелементах з сурм'яно-цезієвим катодом цей діапазон складає 0,2–0,7 мкм, в кремнієвих – 0,4–1,1 мкм, в германієвих – 0,5–2,0 мкм. 3) Вольтамперная характеристика – залежність фотоструму від напруги на фотоелементі при постійному значенні світлового потоку; дозволяє визначити оптимальний робочий режим фотоелементу. Наприклад, у вакуумних фотоелементах робочий режим вибирається в області насичення (область, в якій фотострум практично не міняється із зростанням напруги). Значення фотоструму (що виробляється, наприклад, кремнієвим фотоелементом., освітлюваним лампою розжарювання) можуть при оптимальному навантаженні досягати (з розрахунку на 1 см 2 освітлюваній поверхні) декілька десятків ма (для кремнієвих фотоелементах, освітлюваних лампою розжарювання), а фотоерс – декількох сотень мв. 4) ККД, або коефіцієнт перетворення сонячного випромінювання (для напівпровідникових фотоелементах, використовуваних як перетворювачі енергії), – відношення електричної потужності, фотоелемент, що розвивається. у номінальному навантаженні до падаючої світлової потужності. В кращих зразків фотоелементів ккд(коефіцієнт корисної дії) досягає 15–18%.
Сфера застосування
Фотоелемент використовують в автоматиці і телемеханіці, фотометрії, вимірювальній техніці, метрології, при оптичних, астрофізичних, космічних дослідженнях, в кіно- і фототехніці, факсимільному зв'язку і т.д.; перспективне використання напівпровідникових фотоелементів у системах енергопостачання космічних апаратів, морській і річковій навігаційній апаратурі, пристроях живлення радіостанцій і ін.У випадку, якщо кілька фотоелектричних комірок певним чином електрично з'єднаних між собою, загорнутих в пластик, скло, а для жорсткого зв'язку і захисту з'єднані з використанням алюмінієвої рами — називаються сонячною панеллю. Фотоелектрична комірка, також сонячна комірка, со́нячний елеме́нт, фотогальванічний елемент, фотоелемент, фотоелектричний перетворювач (ФЕП) — електричний пристрій, який діє як перетворювач, і служить для перетворення частини світлової енергії (як правило, видимих і інфрачервоних електромагнітних хвиль) у електричну за допомогою фотоелектричного ефекту. Сонячні панелі використовують в автономних системах, які, зазвичай, тривалий період часу не вимагають обслуговування оператором (автоматичні прилади радіонавігації, космічні апарати і ін.), — служать для електропостачання у віддалених районах Землі або на орбітальних станціях, супутниках — де неможливо використовувати електромережу. Мініатюрні сонячні панелі вбудовують в калькулятори від яких заряджаються вбудовані акумулятори, а також для живлення радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.
Мал.Зображення сонячної батареї.
Напруга холостого ходу, яка генерується одним елементом, дещо змінюється від однієї фірми-виробника до іншої (та навіть від одного елемента до іншого в одній партії) і становить близько 0,6 В. Ця величина не залежить від розмірів елемента та його освітленості. Щоб підвищити вихідну напругу сонячні елементи з'єднують послідовно. Такі з'єднання називають сонячною панеллю. Недоліком такого з'єднання є менша надійність, оскільки у разі виходу з ладу одного елемента (або просто потрапляння його в тінь) зменшується струм у цілій батареї в цілому. Втім, сонячні елементи не «бояться» короткого замикання.
Стандартними умовами для паспортизації сонячних батарей в усьому світі визнаються такі:
освітленість 1000 Вт/м², температура 25 °C, спектр АМ 1,5 (сонячний спектр на широті 45°). Вартість сонячних батарей швидко зменшується (1970 року 1 кВт*год електроенергії, виробленої з їхньою допомогою, коштувала $60, 1980 р. — $1, зараз — $0,20-$0,30[джерело?]). Завдяки цьому попит на сонячні батареї зростає на 30 % за рік, щорічний обсяг їхнього продажу перевищує (за потужністю) 50 МВт.
Австралійцями Х.Холструпом та Л.Перкіном було сконструйовано велосипед на сонячних батареях на якому конструктори проїхали 2500 миль із Перти до Сіднея.До 1987 року це була найдовша подорож, здійснена будь-коли з використанням сонячної енергії. На трасі цей транспорт рухався із швидкість 20 км/год.
В Україні провідним виробником сонячних батарей є ВАТ «Квазар».
Фото, відео-матеріали
Список використаних джерел
1)Фотоелектричні явища в напівпровідниках, М., 1963; Ривкин С. М. 2)Фотоелектронні прилади, М., 1965; Васильев А. М., Ландсман А. П., 3)Напівпровідникові фотоперетворювачі М-коду 1971. М. М. Ковтун. 4)фотоелектрична комірка 5)Фотоелектронний_помножувач 6)Visti Akademiï nauk Ukraïnsʹkoï Sot͡sialistychnoï Radi͡ansʹkoï Respubliky, Выпуски 1-2,стр.23-24.
