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

78 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

40391. Антипсихотики второго поколения в лечении шизофрении и близких к ней расстройств 104.5 KB
  Сюда относятся: рисперидон оланзапин кветиапин зипразидон сертиндол амисульприд зотепин арипипразол и др. В Республике Беларусь в настоящее время наряду с клозапином азалептин зарегистрированы два из них рисперидон рисполепт и оланзапин олеанз. Некоторые из них клозапин оланзапин рисперидон и амисульприд показали большую эффективность чем антипсихотики первого поколения другие же не выявили таких преимуществ [5]. Учитывая что оланзапин лишь недавно стал доступен на отечественном фармацевтическом рынке целью данной статьи...
40392. Лечение бредового расстройства 30 KB
  Первоначальные лекарства которые используются для попыток лечения бредового расстройства называются нейролептиками. Используемые лекарственные препараты включают в себя следующие: Традиционные антипсихотические препараты: Их еще называют нейролептиками и они применяются для лечения психотических расстройств с середины 1950х. Другие медикаменты: Транквилизаторы и антидепрессанты тоже могут применяться для лечения бредового расстройства. Антидепрессанты могут использоваться для лечения депрессии которая часто возникает у людей с...
40393. Лечение нневростенических расстройств 28.5 KB
  Лечение невротических расстройств лучше всего проводить в профилированных отделениях; их чаще всего называют санаторными или отделениями клиниками неврозов. При медикаментозной терапии обсессивнокомпульсивных расстройств в первую очередь используются серотонинергические антидепрессанты. Медикаментозная терапия истероконверсионных расстройств особенно при эпизодически возникающих кратковременных истерических реакциях проводится транквилизаторами назначаемыми в небольших дозах и непродолжительными курсами.
40394. Методы купирования психомоторного возбуждения при различных психических заболеваниях 40.5 KB
  Наилучший способ экстренного купирования всех видов возбуждения внутривенное введение аминазина если удастся удержать больного для проведения этой процедуры. Практически этим способом удается купировать большинство видов возбуждения или значительно уменьшить его в течение 1 2 дней создав тем самым условия для транспортировки больного или проведения дальнейшей терапии. Алкогольный делирий Необходимы купирование психомоторного возбуждения и устранение бессонницы поскольку наступление сна свидетельствует о приближающемся окончании психоза.
40395. Особенности дпрессий в пожилом возрасте 62.5 KB
  Так называемый соматический синдром не внесенный в МКБ10 в число облигатных при неглубоких депрессиях позднего возраста нередко выступает в качестве ведущего. Это связано с двумя факторами неглубоким уровнем нарушения психической деятельности и собственно влиянием возраста. В этих случаях феномен соматизации депрессивных расстройств представляет собой главную причину трудностей выявления и диагностики этих нарушений у пациентов позднего возраста. Степень выраженности и значимость изменения самочувствия в телесной сфере предполагает их не...
40396. ПСИХОТРОПНЫЕ СРЕДСТВА 42 KB
  А поэтому их используют при нарушениях психической деятельности при невротических и неврозоподобных расстройствах состояниях внутреннего напряжения страха тревоги беспокойства. 4 В связи с альфаадреноблокирующим эффектом используют при купировании гипертонического криза. При лечении больных манией используют: 1 нейролептики; 2 соли лития. Соли лития используют для лечения и профилактики маний.
40397. Методика сочинений отдельных видов 41.5 KB
  Подготовка материала его систематизация обдумывание композиции и плана сочинения установление логических связей выбор слов фразеологизмов словосочетаний построение предложений и связи между ними проверка орфографии весь этот комплекс сложных действий требует от школьника не только высокого напряжения всех его умственных сил но и умения управлять своей интеллектуальной деятельностью. Сочинения классифицируются по источникам материала по степени самостоятельности по жанрам и по языковым особенностям. В зависимости от источников...
40398. Речевые ошибки, их диагностика и исправление 49.5 KB
  К числу речевых ошибок относится неудачно выбранное слово неправильно построенное предложение искаженная морфологическая форма. В начальных классах работа над подобными ошибками затруднена почти полным отсутствием теоретической основы: те краткие грамматические сведения которые предусмотрены программой начальных классов совершенно недостаточны для исправления и предупреждения речевых ошибок. Причина ошибок малый речевой опыт бедность фразеологического запаса. К группе морфологостилистических ошибок относится неправильное образование...
40399. Основные этапы истории методики русского языка как науки 39.5 KB
  Буслаева О преподавании отечественного языка 1844. Ушинский 1824 1870 который создал методику в полном ее объеме обосновал ее теоретически написал учебники для школы Родное слово для I II и III годов обучения Детский мир а также пособия для учителей: О первоначальном преподавании русского языка. Он раскрыл роль родного языка в воспитании человека в формировании его личности в его мыслительном развитии.