Принцип работы фотоэлемента

Фотоэлементом называют прибор, который под воздействием Солнца вырабатывает фототок. Практическую возможность получения электрической энергии из света разработал профессор физики МУ А.Г. Столетов. Он объяснил происхождение фотоэффекта и сумел преобразовать солнечную энергию в фотоЭДС. На основании этого сегодня изготавливают электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые используют в измерительной, контрольной и автоматической аппаратуре.

Принцип работы фотоэлемента

Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток.

Полупроводниковый фотоэлемент

Полупроводник имеет устойчивую структуру. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергии кванта хватает, чтобы разорвать связь электрона с атомом, электрон становится свободным. На его месте рождается дырка — положительный заряд, равный заряду электрона. Если приложить разность потенциалов, появится электрический ток.

Слабую проводимость чистых полупроводников увеличивают с помощью примесей других веществ, чтобы получить больше свободных положительно или отрицательно заряженных частиц:

  1. примеси, создающие избыток электронов образуют полупроводник n-типа.
  2. примеси, создающие избыток дырок — полупроводник p-типа.

Принцип работы фотоэлемента

 

Если соединить материал n-типа и p-типа, на границе произойдет перераспределение зарядов: дырки будут двигаться в n-область, а электроны — в p-область, пока на границе не возникнет двойной слой зарядов, называемый p-n-переходом и электрическое поле, препятствующее их дальнейшему перераспределению. Если цепь замкнуть, появится электрический ток, пропорциональный:

  • интенсивности светового потока;
  • площади полупроводника;
  • времени действия света.

Устройство фотоэлемента

Принцип работы фотоэлемента

Применение

Фотоэлементы прочно вошли в нашу жизнь. Фотореле пропускает нас в метро, управляет процессами современного производства, обеспечивает безопасность человека и механизмов, контролируют качество продукции по классической схеме. На ее входе устанавливается фотоэлемент, реагирующий на световой поток. Сигнал усиливается и подается на реле в исполнительную цепь, управляя работой двигателей, станков и целых систем, применяемых в быту и на производстве.

Изучение света продолжается и сегодня. Ученые уверены, что потенциал фотона колоссален, а гелиевая энергетика в скором времени изменит свет во всех отношениях.