Фотоэлементы

Приборы, в которых фотоэффект используется для преобразования световой энергии в электрическую, называют фотоэлементами.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом состоят из стеклянного баллона 1, из которого выкачан воздух:

Катодом в них выступает часть внутренней поверхности баллона 2, покрытая светочувствительным слоем (в основном из оксидов щелочных металлов $Cs$, $Rb$, $К$, $Na$), катод освещается сквозь прозрачную часть баллона 1. Анодом является полусферическая металлическая ложечка 3, размещенная в центре баллона. Катод и анод соединен с двумя штырьками 4, с помощью которых фотоэлемент включается в электрическую цепь. Чтобы увеличить фототок вследствие ионизации газа, фотоэлементы наполняют инертным газом. На рисунке выше показаны образцы современных фотоэлементов и их маркировка: СЦВ-4 (сурьмяно-цезиевый вакуумный) и ЦГ-3 (цезиевый газонаполненный). При рабочем напряжении 240 В чувствительность вакуумного фотоэлемента составляет 8 · 10-5 А / лм.

Фотоумножители

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом применяются в звуковом кино, различных схемах автоматики и телемеханики, телевидении. Однако незначительный фототок таких фотоэлементов (даже при ярком освещении фототок насыщения равен 10-6 А) нуждается в усилении.

Очень эффективным усилителем фототока является фотоумножитель Кубецкого, в котором использовано явление вторичной электронной эмиссии на серии последовательно размещенных электродов-эмиттеров:

Каждый электрон, выбивается светом из катода $К$, ускоряется и при попадании на первый эмиттер выбивает из него несколько электронов. Эти электроны вновь ускоряются и, попадая на следующий эмиттер, увеличивают общий поток электронов. С анода $А$ снимается уже усиленный ток:

$I={{i}_{0}}{{\sigma }^{n}},$

где $i_0$ – фототок на первом эмиттере; $n$ – количество эмиттеров; $σ$ – коэффициент усиления.

Вентильные фотоэлементы

Существенную роль при этом играет электрическое поле запорного слоя. Напомним, что запорный слой возникает на границе двух полупроводников с разным типом проводимости, то есть при $р-n$ переходе. Он является результатом диффузии дырок в $n$ область полупроводника и электронов в p область полупроводника, по этим причинам на запорном слое в направлении n-р возникает электрическое поле.

Известно, что при освещении полупроводника (при условии, что энергия его фотонов больше ширины запрещенной зоны) в последнем образовываются пары электрон-дырка. Если эти пары носителей тока возникают вблизи запорного слоя, то под действием электрического поля $n-р$ перехода они будут разделяться, что приводит к определенной разности потенциалов на электродах и создает в кругу фотоэлемента ток.

Вентильные фотоэлементы имеют большое будущее как одно из средств непосредственного преобразования световой энергии в электрическую. Сейчас изготавливают кремниевые фотоэлементы, имеющие КПД 11-15%; по теоретическим расчетам его можно повысить до 22%. Батареи из таких фотоэлементов используются в искусственных спутниках и космических кораблях в качестве источника питания радиоаппаратуры, в измерительной технике, в автоматике и т. п.

Тест по теме «Фотоэлементы»