89408

Фотоэлемент. Классификация, принцип работы, параметры, характеристики фотоэлементов

Доклад

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость.

Русский

2015-05-12

140.77 KB

19 чел.

Классификация, принцип работы, параметры, характеристики фотоэлементов:

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

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.

Фоторезистором называют полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Дадим схематическое изображение структуры фоторезистора (рис. 1.124,а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.124,6).          

Поток фотонов, падающих на полупроводник, вызывает появление пар электрон-дырка, увеличивающих проводимость (уменьшающих сопротивление). Это явление называют внутренним фотоэффектом (эффектом фотопроводимости).

Фоторезисторы часто характеризуются зависимостью тока i от освещенности Е при заданном напряжении на резисторе. Это так называемая люкс-амперная характеристика.

Изобразим такую характеристику для фоторезистора типа ФСК-Г7, который работает в видимой части спектра

Часто используют следующие параметры фоторезисторов:

  1.  номинальное темновое (при отсутствии светового потока) сопротивление (для ФСК-Г7 это сопротивление равно 5 МОм);
  2.  интегральную чувствительность (чувствительность называют интегральной, так как ее определяют при освещении фоторезистора светом сложного спектрального состава).

Интегральная чувствительность (токовая чувствительность к световому потоку) S определяется выражением

где iф — так называемый фототок (это разность между током при освещении и током при отсутствии освещения);

Ф — световой поток.

Для фоторезистора ФСК-Г7 S = 0,7 А/лм.

Рассмотрим устройства, основные физические процессы, характеристики и параметры фотодиода.

Устройство и основные физические процессы. Изобразим упрощенную структуру фотодиода (рис. 1.126, а) и его условное графическое обозначение (рис. 1.126, б).

Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Основным физическим явлением в фотодиоде является генерация пар электрон-дырка в области p-n-перехода и в прилегающих к нему областях под действием излучения.

Электрическое поле p-n-перехода разделяет электроны и дырки. Неосновные носители электричества, для которых поле является ускоряющим, выводятся этим полем за переход. Основные носители задерживаются полем в своей области проводимости.

Генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению обратного тока диода при наличии обратного напряжения и к появлению напряжения иак между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Причем в соответствии со сделанным замечанием о разделении электронов и дырок иак > 0 (дырки переходят к аноду, а электроны — к катоду).

Характеристики и параметры. Фотодиоды удобно характеризовать семейством вольт-амперных характеристик, соответствующих различным световым потокам (световой поток измеряется в люменах, лм) или различным освещен-ностям (освещенность измеряется в люксах, лк).

Обратимся к вольт-амперным характеристикам (ВАХ) фотодиода (рис. 1.127). Пусть вначале световой поток равен нулю, тогда ВАХ фотодиода фактически повторяет

ВАХ обычного диода. Если световой поток не равен нулю, то фотоны, проникая в область p-n-перехода, вызывают генерацию пар электрон-дырка. Под действием электрического поля p-n-перехода носители электрода движутся к электродам (дырки — к электроду слоя р, электроны — к электроду слоя п). В результате между электродами возникает напряжение, которое возрастает при увеличении светового потока. При положительном напряжении анод-катод ток диода может быть отрицательным (четвертый квадрант характеристики). При этом прибор не потребляет, а вырабатывает энергию.

На практике фотодиоды используют и в так называемом режиме фотогенератора (фотогальванический режим, вентильный режим), и в так называемом режиме фотопреобразователя (фотодиодный режим).

Режим фотогенератора имеет место при и > 0 и i< 0 (четвертый квадрант). При этом диод отдает энергию во внешнюю цепь (иi < 0). В этом режиме работают солнечные элементы. В настоящее время коэффициент полезного действия солнечных элементов достигает 20%. Пока энергия, вырабатываемая солнечными элементами, примерно в 50 раз дороже энергии, получаемой из угля, нефти или урана. Но ожидается, что стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, будет снижаться.

Режим фотопреобразователя соответствует соотношениям и < 0 и i < 0 (третий квадрант). В этом режиме фотодиод потребляет энергию (и • i > 0) от некоторого обязательно имеющегося в цепи внешнего источника напряжения (рис. 1.128). Графический анализ этого режима выполняется при использовании линии нагрузки, как и для обычного диода. При этом характеристики обычно условно изображают в первом квадранте (рис. 1.129).

Фотодиоды являются более быстродействующими приборами по сравнению с фоторезисторами. Они работают на частотах 107—1010 Гц. Фотодиод часто используется в оптопарах светодиод-фотодиод. В этом случае различные характеристики фотодиода соответствуют различным токам светодиода (который при этом создает различные световые потоки). Изобразим соответствующие току светодиода 20 мА характеристики фотодиода, входящего в опто-пару АОД112А-1 (рис. 1.130, а).При этом ток i и напряжение и фотодиода соответствуют обычным для диодов условно-положительным направлениям (рис. 1.130,6).

Фототранзистор и фототиристор: Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока).Свойства фототиристора подобны свойствам обычного тиристора, однако с той лишь особенностью, что включение тиристора осуществляется не с помощью импульса тока управления, а с помощью светового импульса.

Солнечные элементы (СЭ) изготавливаются из материалов, которые напрямую преобразуют солнечный свет в электричество. Большая часть из коммерчески выпускаемых в настоящее время СЭ изготавливается из кремния (химический символ Si). Кремний это полупроводник. Он широко распространен на земле в виде песка, который является диоксидом кремния (SiO2), также известного под именем "кварцит". Другая область применения кремния - электроника, где кремний используется для производства полупроводниковых приборов и микросхем.

Структура солнечного элемента: Прежде всего , в СЭ имеется задний контакт и 2 слоя кремния разной проводимости. Сверху имеется сетка из металлических контактов и антибликовое просветляющее покрытие, которое дает СЭ характерный синий оттенок.

Типы солнечных элементов :СЭ может быть следующих типов: монокристаллический, поликристаллический и аморфный (тонкопленочный). Различие между этими формами в том, как организованы атомы кремния в кристалле. Различные СЭ имеют разный КПД преобразования энергии света. Моно- и поликристаллические элементы имеют почти одинаковый КПД, который выше, чем у солнечных элементов, изготовленных из аморфного кремния.

В последние годы разработаны новые типы материалов для СЭ. Например, тонкопленочные фотоэлектрические элементы из медь-индий-диселенида и из CdTe (теллурид кадмия). Эти СЭ в последнее время также коммерчески используются. Технологии их производства постоянно развиваются, за последнее десятилетие КПД тонкопленочных элементов вырос примерно в 2 раза.

Последние технологии используют гибридные методы. Так появились элементы, которые имеют как кристаллический переход, так и тонкий полупрозрачный аморфный переход, расположенный над кристаллическим. Так как кристаллы и аморфный кремний наиболее эффективно преобразуют только часть спектра света, и эти спектры немного отличаются, применение таких гибридных элементов позволяет повысить общий КПД солнечного элемента.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

45874. Виды механической обработки материалов резанием 77.21 KB
  Виды обработки резанием Согласно действующему в нашей стране стандарту ГОСТ 25761 83 все виды механической обработки металлов и материалов резанием подразделяются на лезвийную и абразивную обработку. К лезвийной обработке относятся все виды обработки резанием которые осуществляются лезвийным инструментом: точение растачивание долбление сверление зенкерование развертывание фрезерование протягивание. Фрезерование применяют для обработки плоскостей пазов с прямолинейным и винтовым направлением шлицев тел вращения разрезки...
45875. Тепловые явления при резании. Баланс теплоты при резании металлов. Температура резания 860.6 KB
  Температура резания. Исследования процессов теплообразования при резании позволили определить направление и интенсивность тепловых потоков градиенты температур в контактных областях и характеристики температурного поля в зоне резания деталью и окружающей средой а также получить качественное и количественное представление о тепловом балансе при резании различных материалов. Ребиндера установлено что более 995 работы резания переходит в тепло. Температура резания.
45876. Качество обрабатываемой поверхности и поверхностного слоя детали 61.08 KB
  Качество обрабатываемой поверхности и поверхностного слоя детали. Качество детали можно определить геометрическими и физикомеханическими характеристиками её поверхности и поверхностного слоя. Показатели качества детали: геометрические характеристики шероховатость волнистость отклонение формы; физикомеханические характеристики микротвёрдость остаточное напряжение структура. Упрочнение поверхностного слоя: при обработке детали под действием сил резания поверхностный слой металла испытывает упругопластическое деформирование.
45877. Изнашивание режущего инструмента в процессе резания. Критерии и кривые износа 168.52 KB
  Изнашивание режущего инструмента в процессе резания. В процессе работы инструмента в результате высокого контактного давления высокой температуры в зоне резания и большой относительной скорости перемещения происходит износ лезвий инструмента. Различают следующие виды износа: 1 Износ по задней поверхности инструмента. 2 Износ по передней поверхности инструмента.
45878. Критерии оптимизации режима резания при точении. Выбор инструментального материала для резцов 108.19 KB
  Критерии оптимизации режима резания при точении. Основной целью оптимизации является установление таких числовых значений элементов режима резания глубины резания подачи и скорости которые позволяют наиболее производительно с наименьшими затратами осуществлять механическую обработку детали и надежно обеспечить заданное качество обработки. Определить глубину резанияt: t = Dd 2 мм. При черновой обработке необходимо стремиться работать с максимально возможной в данных условиях глубиной резания равной всему припуску или большей части...
45879. Смазочно-охлаждающие технологические среды: назначение, требования, состав, методы отчистки и способы подачи 17.26 KB
  Способы подачи СОЖ: Полить струей жидкости на переднюю поверхность или через насадку с отверстием со стороны задней поверхности. Высоконапорная подача 152 МПа расход СОЖ уменьшается примерно в 20 раз. Функциональные свойства 1Под смазочным действием понимают способность СОЖ образовывать на контактных поверхностях инструмента на стружке и детали прочные пленки полностью или частично предотвращающие соприкосновение передней поверхности со стружкой и задних поверхностей с поверхностью резания. 2Охлаждающее дейстте СОЖ заключается в...
45880. Ультразвуковое резание. Резание с нагревом заготовки 15.43 KB
  Функции: непрерывно падают абразив в рабочий зазор и выносят оттуда частицы снятого металла; охлаждают инструмент в зоне резания. Механическая обработка с ультразвуковыми колебаниями является разновидностью резания с вибрациями. Позволяет ликвидировать нарост уменьшить объем зоны опережающей деформации и усадки стружки уменьшить силу резания. В отношении стойкости инструмента удовлетворяют результаты полученные только для быстрорежущего инструмента на низких режимах резания.
45881. Виды инструментальных материалов и ихприменяемость 16.07 KB
  Инструментальные стали. Стали применяют достаточно широко для изготовления корпусной и крепежноприсоединителыюй частей режущих инструментов а во многих случаях и их режущей части. Если инструмент работает при низких скоростях резания и не нагревается свыше 200220 С то его можно изготовлять из углеродистой инструментальной стали марок У7А У8А У10А У13А и др. Однако и в этом случае ввиду высокой критической скорости закалки эти стали прокаливаются на небольшую глубину и сердцевина инструмента остается вязкой.
45882. Виды токарных резцов. Особенность их применения. Способы соединения режущей пластины с державкой. Какие факторы определяют выбор резцов для токарных работ 50.15 KB
  В качестве режущего инструмента при точении используют резцы.Виды токарных резцов а – проходные: 1 – прямой 2 – отогнутый 3 – упорный; б – подрезной; в – канавочные: 1 – для наружных канавок 2 – для внутренних; г – отрезной; д – расточные: 1 – для сквозных отверстий 2 – для глухих; е – резьбовые: 1 – для наружных резьб 2 – для внутренних; ж – фасонный Проходные прямые резцы используются для их рекомендуется назначать для обтачивания гладких открытых цилиндрических поверхностей без уступов и ступеней. Проходные упорные резцы имеют угол в...