Поглощение света и различные типы фотоэлементов

Современная физика рассматривает свет как электромагнитное излучение определенных длин волн, обладающее двойной природой. В своих проявлениях оно обнаруживает как волновые, так и корпускулярные свойства. Свет излучается и распространяется не непрерывным потоком, а отдельными, не связанными друг с другом порциями или волновыми пакетами (фотонами).

Каждый фотон является носителем определенного количества энергии. Фотоны различаются величиной своей энергии. Наибольшей величиной энергии обладает такой фотон, который соответствует излучению, характеризующемуся в волновой теории наибольшей частотой.

Если говорить только о видимом свете, наибольшей энергией обладают фотоны фиолетового света, а наименьшей - фотоны, входящие в состав потока красных лучей. Установлено, что энергия фотона е пропорциональна частоте излучения v:

(5.1)

где - постоянная Планка

Корпускулярная структура электромагнитного излучения тем легче обнаруживается, чем больше энергия фотона е , т. е. чем больше частота v.

В потоке рентгеновских или γ-лучей практически проявляются в основном корпускулярные свойства. Чем меньше энергия фотонов е, т. е. чем меньше частота v, тем в большей степени проявляются волновые свойства излучения. Поток длинноволнового излучения (радиоволн) легко обнаруживает лишь свои волновые свойства и практически не обнаруживает корпускулярных.

Видимый свет занимает очень узкий интервал частот или длин воли на шкале электромагнитного излучения: 0,4-0,8 мк. Описывая физические явления, происходящие при падении на поверхность полупроводника видимого излучения, последнее можно рассматривать как поток фотонов различных энергий. Если поток фотонов попадает на поверхность какого-нибудь металла, то часть фотонов отражается от поверхности, а оставшаяся часть поглощается металлом.

Поглощенные фотоны будут отдавать свою энергию кристаллической решетке металла и свободным электронам, увеличивая амплитуду колебаний решетки и скорость хаотического движения свободных электронов. Если энергия фотона велика, то она может оказаться достаточной, чтобы выбить электрон из металла, т. е. сообщить ему в энергию, равную или большую, чем работа выхода φ (рис.5.1 ,а).

Рисунок 5.1 Схема фотоэффекта в металлах и полупроводниках

Это явление называется внешним фотоэффектом. Если же поглощенный фотон обладает энергией, недостаточной, чтобы выбить электрон из металла, его энергия пойдет в конечном счете целиком на нагрев металла. Иную картину наблюдаем мы при воздействии потока фотонов на полупроводник.

В отличие от металлов кристаллические полупроводники в чистом виде (без примесей), если на них не воздействуют никакие внешние факторы (температура, электрическое поле, излучение света т. п.), не имеют свободных электронов, т. е. электронов, оторванных от атомов кристаллической решетки полупроводника. Однако, поскольку полупроводниковый материал всегда находится под воздействием какой-то температуры (чаще всего комнатной), небольшая часть электронов, связанных с атомами, может за счет тепловых колебаний приобрести энергию, достаточную для отрыва их от атомов. Такие электроны становятся свободными и могут принимать участие в переносе электричества.

Атом полупроводника, лишившийся электрона, приобретает положительный заряд, равный заряду электрона. Однако место в атоме, не занятое электроном, может быть занято электроном соседнего атома. При этом первый атом становится нейтральным, а соседний положительно заряженным.

Освободившееся в связи с образованием свободного электрона место в атоме равноценно положительно заряженной частице, названной дыркой. Дырки тоже могут участвовать в процессе прохождения электрического тока.

Энергия, которой обладают электроны в связанном с атомами состоянии, обусловливает нахождение их в пределах так называемой заполненной энергетической зоны или зоны валентных связей (зона 2 на рис. 5.1). Энергия свободного электрона относительно велика, поэтому он находится в более высокой энергетической зоне—зоне проводимости (зона 1 на рис. 5.1,6).

Между заполненной зоной и зоной проводимости имеется зона запрещенных энергий (зона 1на рис.5.1,6), т. е. зона таких значений энергий, которые электроны данного полупроводникового материала не могут иметь ни в связанном, ни в свободном состоянии. Ширина этой запрещенной зоны у разных полупроводников различна. Например, для германия она равна 0,7 эв (электроновольт), а для кремния — 1,12 эв.

Дырки находятся в заполненной зоне, так как их образование возможно только в атомах кристаллической решетки полупроводника.

Количество свободных электронно-дырочных пар может резко возрасти при освещении поверхности полупроводника. Это объясняется тем, что энергия некоторых фотонов оказывается достаточной для отрыва электронов от атомов и переброски их из заполненной зоны в зону проводимости. Это явление называется внутренним фотоэффектом.

Условием осуществления внутреннего фотоэффекта является соотношение

E_g, (5.2)

где E_g - ширина запрещенной зоны.

Увеличение концентрации электронов и дырок приводит к возрастанию проводимости полупроводникового материала. Возникающая под действием внешних факторов проводимость тока в чистом монокристаллическом полупроводнике называется собственной проводимостью, так как она обусловлена только возбужденным состоянием атомов самого полупроводника.

С исчезновением внешних воздействий свободные электронно-дырочные шары исчезают (рекомбинируют друг с другом) и собственная проводимость стремится к нулю.

Существует также явление внешнего фотоэффекта с полупроводника. Но оно носит более сложный характер, чем в случае металла.

Для создания в полупроводнике внешнего фотоэффекта необходимо, чтобы энергия поглощенного кванта была достаточной для выброса электрона из заполнен­ной зоны, и удаления его из полупроводника.

Таким образом, внешний фотоэффект с полупроводников происходит под воздействием излучения с частотой, значительно большей, чем частота света, при которой наблюдается внутренний фотоэффект.

Доля такого высокочастотного излучения в общем падающем солнечном излучении относительно невелика, поэтому внешние фототоки с обычных полупроводников малы.

Преобразование света в электрическую энергию связано только с внутренним фотоэффектом.

Идеально чистых полупроводниковых материалов, которые обладали бы одной лишь собственной проводимостью, не существует. Обычно полупроводник обладает каким-то вполне определенным типом проводимости: или только дырочным (р-тип), или только электронным (п-тип). Тип проводимости полупроводника определяется валентностью внедренной в его кристалличе­скую решетку активной примеси.

Для кремния активными примесями будут являться элементы, входящие в третью (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) или пятую (фосфор, мышьяк, сурьма, висмут) группы периодической таблицы Менделеева. Сам же кремний относится к четвертой группе периодической таблицы.

Фотоэлементы

По принципу своего действия все фотоэлементы делятся на два класса. К первому классу относятся фотоэлементы, основанные на внешнем фотоэффекте -вакуумные и газонаполненные, ко второму- полупроводниковые фотоэлементы с запирающим слоем, иначе еще называемые вентильными, работа которых основана на внутреннем фотоэффекте. К последним относятся медно-закисные, селеновые, германиевые, кремниевые и др.

Для работы вакуумных и газонаполненных фотоэлементов необходимо с помощью дополнительного источника постоянного напряжения (сухая батарея, аккумулятор) создавать электрическое поле определенной величины, обеспечивающее попадание всех выбиваемых светом из фотокатода электронов на анод.

Вентильные фотоэлементы отличаются от всех остальных видов тем, что под действием светового излучения они вырабатывают собственную э.д.с, достигающую в ряде случаев на прямом солнечном свете. Десятых долей вольта. Они, таким образом, позволяют осуществлять непосредственное преобразование лучистой энергии в электрическую.

Фотоэлементы, используемые как источники электрической энергии, обычно называют фотоэлектрическими преобразователями или просто фотопреобразователями. Наиболее совершенными из существующих в настоящее время фотоэлектрических преобразователей являются кремниевые.

Выбор кремния в качестве исходного материала обусловлен рядом факторов.

Во-первых, кремний является наиболее распространенным после кислорода элементом на Земле и производство его относительно хорошо освоено.

Во-вторых, как показывает теория, для солнечного спектра наибольшая выходная электрическая мощность получается у фотопреобразователей, изготовленных из тех полупроводников, ширина запрещенной зоны которых лежит в пределах 1 -1,5 эв.

В третьих, кремниевые фотопреобразователи весьма подходят, для использования солнечного излучения по своей спектральной чувствительности.

В-четвертых, по сравнению, например, с германиевыми приборами, кремниевые менее чувствительны к температурным колебаниям. Наконец, кремний позволяет достигнуть минимальных потерь на отражение.

А)

Рисунки 5.2 А), Наиболее распространенные типы фотоэлементов.

ЛЕКЦИЯ 6