Жарық фотоэлементтердің жұмысы туралы

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 21 бет
Таңдаулыға:

Мазмұны
ККіріспе

1 1 Жарық фотоэлементтердің жұмысы
4
1 1.1 Фотоэлемент
5
1 1.2 Жарықтың жұтылуы және фотоэлементтердің түрлері
6
1 1.3 Фотоэлементтіңжұмысістеупринципі
9
1 1.4 p-n ауысуының фотоэлектрлік қасиеттері
1.4.1 Күн фотоэлементінің вольт-амперлік сипаттамасы
11
13
1 1.5 Кремнийлі фотоэлемент
14
1 1.6 Монокристалды және коммерциялық фотоэлемент
15
1 1.7 Сыртқы және ішкі фото әсерлері бар фотоэлементтер
16
1 1.8. Аморфты кремнийлік фотоэлемент
17
1 1.9 Вентильді және вакуумдік фотоэлемент
18
1 1.10 Фотоэлементтердің вольт-амперлік сипаттамалары
21
ҚҚорытынды

ППайдаланылған әдебиеттер

Кіріспе

Қазіргі таңда баламалы энергетика саласы, атап айтқанда күн энергетикасы интенсивті даму үстінде. Соған орай, күн сәулесі энергиясын электр тогына максималды эффективті түрде түрлендіруге мүмкіндік беретін әдіс-тәсілдер мен құрал-құрылғыларын іздестіру жұмыстары жалғасуда. Бұл жолда ең негізгі екі бағытты айқындауға болады. Біріншісі - күн сәулесі энергиясын тікелей электр энергиясына түрлендіру болса, екіншісі - күн энергиясын алдымен жылу энергиясына, сосын механикалық жұмысқа, содан кейін барып электр тогына түрлендіру болып табылады. Екінші бағыт бойынша, ең жоғарғы нәтижелерге қол жетіп тұр. Өнеркәсіптік гелиоқондырғылар өзінің концентраторларымен , Стирлинг қозғалтқышы немесе турбиналары күн сәулесі энергиясын түрлендіруде ең жоғарғы көрсеткіштерге ие. Мысал ретінде, Нью-Мекхико, АҚШ-тарында орналасқан, Стирлинг қозғалтқыштары бар концентраторлы мұнаралы гелиостанциясы шығысындағы ПӘК 31,25% көрсеткішіне ие . Алайда, мұндай типті күн электрстанциялары бағасы жағынан өте қымбат, орындалу жағынан өте күрделі және табиғи шарттарға өте тәуелді болып келгендіктен аса кең қолданыс таба қойған жоқ. Сол себепті, бірінші бағыт бойынша, күн энергиясын тікелей электр тогына түрлендіруші ФМ-дер инсталляциясы және қолданыс спектрі бойынша дүниежүзінде күн энергетика саласында алдыңғы қатарлы дәрежеде және кең қолдансықа ие болып отыр.
1 Жарық фотоэлементтердің жұмысы

1.1Фотоэлемент

Фотоэлемент -- электрондар ағыны немесе электр тогы жарық арқылы басқарылатын электрондық прибор.
Оның жұмыс принципі металдан (калий, барий) немесе жартылай өткізгіштен жасалған электродтың (фотокатод) бетіне электрмагниттік сәуле түсіргенде фотоэффект құбылысының пайда болуына негізделген. Фотоэлементтің сыртқы фотоэффект және ішкі фотоэффект құбылыстарына негізделіп жасалған түрлері бар. Сыртқы фотоэффектіге негізделген фотоэлементте (электрвакуумды фотоэлемент) жарық әсерінен электрондар шығаратын фотокатод пен электрондарды жинағыш анод вакуум немесе газ толтырылған баллонға орнатылады.
Фотосезгіш қабат шыны баллонның ішкі бетіне (а) немесе баллон ішіне орнатылған металл пластинканың бетіне (ә) жалатылады. Түсетін жарық ағынының (фотондардың) әсерінен катодта фотоэлектрондық эмиссия (электрондардың ұшып шығу құбылысы) пайда болады. Сөйтіп, электрондар ток көзінің оң полюсіне жалғанған анодқа қарай қозғалады да, тізбек тұйықталады. Газбен толтырылған баллонда орнатылған фотоэлементтегі фототок шамасы вакуум баллондағы фотоэлементтегімен салыстырғанда 10 еседей артық болады. Мұндай фотоэлементтер пайдаланылған фотокатодтың түріне, колбаның оптикалық қасиетіне, газдың бар-жоқтығына және оның тегіне (аргон, неон т.б.), сондай-ақ жасалу ерекшеліктеріне қарай бөлінеді. Ішкі фотоэффектіге негізделген Фотоэлементке (вентильді фотоэлемент, жартылай өткізгішті фотоэлемент, жаппалы қабатты фотоэлемент) сырттан түсірілген жарық энергиясы жартылай өткізгіш приборда тікелей электр энергиясына түрленеді. Мұндай фотоэлемент алу үшіп жартылай өткізгіш материалдар р - п ауысу қабаты жасалады. Бұл қабаттың екі жағындағы электродтарға (кемтіктік және электрондық) контактілік сымдар жалғанады. Сөйтіп, ол жарық түсетін саңылауы бар қорапқа салынады. Түсетін жарықтың әсерінен жартылай өткізгіш материалда қозғалмалы заряд тасығыштар (электрондар мен кемтіктер) пайда болады да материалдың электр өткізгіштігі артады. Фотоэлементті жүктемемен қосқанда, фототок шамасы сыртқы кедергіге (Rж) тәуелді болады. Жартылай өткізгішті кремний кристалынан жасалған фотоэлементтер (п. ә. коэфф. 15%-ға жуық) ғарыштық ұшу аппараттарының қоректендіру көзі (қ. Күн батареясы) Фотоэлектрлік генератор) ретінде, радиация құбылыстарды зерттеуде, т.б. пайдаланылады.
Фотоэлементтің Күн батареялары сияқты фотондар энергиясын электр энергиясына айналдыратын электрондық құрал екендігі аян. Сыртқы фотоэффект құбылысына негізделген ең алғашқы фотоэлемент физика ілімінде XIX ғасырдың аяғында пайда болды. Оны белгілі орыс ғалымы Александр Столетов жасап шығарған. Өндірістік масштабтардағы фотоэлементтердіңпайдалы әсер коэффициенті орташа есеппен 16% болса, ең жақсы үлгілердікі - 25%, ал лабораториялық жағдайларда 43,5%-ға дейін жетеді.
Сондай-ақ бүгінгі кезде фотоэлементтерді әр түрлі көлік түрлеріне - қайықтарға, электромобильдерге, гибридті автокөліктерге, ұшақтарға, дирижабльдерге, т.б. орнату мүмкіндігі бар. Италия мен Жапония сияқты мемлекеттерде фотоэлементтерді темір жол поездарының шатырына орналастырады. Соның ішінде Solatec LLC компаниясы Toyoto Prius гибридті автокөлігінің шатырына орналастыруға арналған жұқа қабыршақты фотоэлементтерді сатумен айналысады. Жұқа қабыршақты фотоэлементтердің қалыңдығы 0,6 мм ғана болғандықтан, ол автокөліктің аэродинамикасына еш әсерін тигізбейді. Күн батареялары мен фотоэлементтерден бөлек Күн энергиясын электр энергиясына айналдыратын адамзат ойлап тапқан құрылғыларғаКүн коллекторлары, Күн электр станциялары, гелиожүйелер, т.б. жатады.

1.2 Жарықтың жұтылуы және фотоэлементтердің түрлері

1.2.1-сурет Жарықтың жұтылуы және фотоэлементтердің түрлері

Қазіргі кездегі физика жарықты электромагниттік толқындар ретінде қарастырады, оның екі түрлі табиғаты бар. Ол өзін толқын ретінде көрсетеді және корпускулалық қасиетке ие. Жарық сәуле шығарады және үздіксіз ағынмен емес, ол бөлек, бір-бірімен байланысы жоқ порциялармен немесе толқындық фотондармен таралады.
Әрбір фотон белгілі мөлшердегі энергия тасығыш болып саналады. Фотондар энергия мөлшерібойыншаажыратылады. Энергия мөлшеріеңүлкен фотон бұл толқындық теорияның ең үлкен жиілігімен сипатталатын сәулеленуге сәйкес фотон.
Егер тек көрінетін жарық туралы айтсақ, ең үлкен энергияға күлгін түсті фотондар ие, ал ең кіші фотондар, қызғылт сәуле ағындарының құрамына кіреді.

Фотон энергиясы е сәулелену жиілігіне v пропорционал екені анық:

E=hv (1.2.1)
Мұндағы: h - Планк тұрақтысы

1.2.2-сурет. Металдар мен жартылай өткізгіштердің фотоэффектілік сұлбасы

Егер фотондардың ағыны қандай да бір металл бетіне түссе, фотондардың бір бөлігі сонда шағылады, ал қалған бөлігі металға жұтылады. Жұтылған фотондар өз энергиясын металдың кристалл торына және бос электрондарға береді де, тордың амплитудалық тербелісін және бос электрондарының хаостық қозғалыс жылдамдығын жоғарылатады
Егер фотон энергиясы үлкен болса, онда ол металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болады, яғни шығу жұмысына φ(1.2.2 а-сурет) қарағанда тең немесе үлкен энергияны қабылдайды.
Бұл құбылыс сыртқы фотоэффект деп аталады. Егер жұтылған фотон энергиясы металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болмаса, оның энергиясы ақырында түгелімен металды қыздыруға кетеді.
Бұндай құбылысты біз жартылай өткізгішке фотондардың ағыны әсер еткенде байқаймыз.
Кристалдық жартылай өткізгіштердің металдардан таза түрінде (қоспаларсыз) айырмашылығы, егер оларға ешқандай сыртқы факторлар әсер етпесе (температура, электрлік өріс, жарық сәулеленуі, т.с.с.), бос электрондары болмайды.
Бірақ жартылай өткізгіш материалына әрқашан қандай да бір температура (жиі бөлменікі) әсер етсе, атомдармен байланысқан электрондардың бір бөлігі жылулық тербелістердің арқасында атомдардан үзуге жеткілікті энергия шығаруы мүмкін. Бұндай электрондар бос
Электрондарға айналады және электр тасымалдаушы бола алады. Электронынан айрылған жартылай өткізгіш атомы электрон зарядына тең дұрыс зарядқаие болады. Бірақ электроны жоқ атомдағы орын көршілес атом электронымен толтырылуы мүмкін.
Бос электрон түзілуінен босаған орын зарядталған бөлшекке теңдей болады.
Егер е фотонэнергиясы жоғары болса, яғни жиілік v төмен болса,электрмагниттік сәулеленудің корпускулалық құрылымы соғұрлым тезірек анықталады.Рентген немесе γ-сәулелер ағынында практикалық түрде негізінен корпускулалық қасиет пайда болады.
Фотон энергиясы е төмен болса, яғни жиілік v төмен болса сәулеленудің толқындық қасиеті соғұрлым үлкен дәрежеде көрінеді. Ұзын толқынды сәулелену ағыны (радиотолқындар) тек өзінің толқындық қасиетін ғана оңай анықтайды және практикалық түрде корпускулалықты анықтамайды.
Электромагниттік сәулелену шкаласында көрінетін жарық жиіліктері немесе толқын ұзындықтарының арасы өте тар мәнге ие болады: 0,4-0,8 мк. Көрінетін сәулеленудің жартылай өткізгіші бетіне түскенде болатын физикалық құбылыстарды қарастырғанда, әртүрлі энергиялардың фотондар ағыны ретінде қарастыруға болады.
Егер фотондардың ағыны қандай да бір металл бетіне түссе, фотондардың бір бөлігі сонда шағылады, ал қалған бөлігі металға жұтылады. Жұтылған фотондар өз энергиясын металдың кристалл торына және бос электрондарға береді де, тордың амплитудалық тербелісін және бос электрондарының хаостық қозғалыс жылдамдығын жоғарылатады
Егер фотон энергиясы үлкен болса, онда ол металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болады, яғни шығу жұмысына φ (1 а-сурет) қарағанда тең немесе үлкен энергияны қабылдайды.
Бұл құбылыс сыртқы фотоэффект депаталады. Егер жұтылған фотон энергиясы металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болмаса, оның энергиясы ақырында түгелімен металды қыздыруға кетеді.
Бұндай құбылысты бізжартылай өткізгішке фотондардың ағыны әсер еткенде байқаймыз.
Кристалдық жартылай өткізгіштердің металдардан таза түрінде (қоспаларсыз) айырмашылығы, еге роларға ешқандай сыртқы факторлар әсер етпесе (температура, электрлікөріс, жарықсәулеленуі, т.с.с.), бос электрондары болмайды.
Бірақ жартылай өткізгіш материалына әрқашан қандай да бір температура (жиібөлменікі) әсеретсе, атомдармен байланысқан электрондардың бір бөлігі жылулық тербелістердің арқасында атомдардан үзуге жеткілікті энергия шығаруымүмкін. Бұндай электрондар бос электрондарға айналады және электр тасымалдаушы бола алады.
Электронына айрылған жартылайөткізгіш атомы электрон зарядына ең дұрыс зарядқа ие болады. Бірақ электроны жоқ атомдағы орын көршілес атом электронымен толтырылуы мүмкін.
Бос электрон түзілуінен босаған орын зарядталған бөлшекке теңдей болады, ол кемтік деп аталады. Кемтіктер электр тогының өту үдерісіне қатысуы мүмкін.

1.2.3-сурет.Кемтік
Толтырылған аймақ пен өткізу аймағының арысында тыйым салынған энергиялардың аймағы болады, яғни энергиялардың мұндай
мәндегі аймағында, берілген жартылай өткізгіштің материалының байланысқан да, бос күйінде де бола алмайды. Бұл жартылай өткізгіштердің әртүрлі тыйым салынған аймақтағы мөлшері әрқилы.Мысалы, германий үшін - 0,7 эв (электроновольт), ал кремний үшін 1,12 - эв .
Кемтіктер толтырылған аймақта болады, себебі олардың түзілуі тек қана жартылай өткізгіштердің кристалл торларының атомдарында ғана мүмкін.
Бос электрон-кемтік жұбының мөлшері жартылай өткізгіштердің беті жарықтанғанда кенет өсуі мүмкін. Бұл мынамен түсіндіріледі, кейбір фотондардың энергиялары электрондарды атомдардан шығарып алуға және оларды толтырылған аймақтан өткізу аймағына ауыстыруға жеткілікті болады. Бұл құбылыс ішкі фотоэффект деп аталады. Ішкі фотоэффекттің шарты мына теңдеумен анықталады

e =Eq (1.2.2)
мұндағы, Eg - тыйым салынған аймақтың ені.

Электрондардың және кемтіктердің концентрациясының артуы жартылай өткізгіштік материалдың өткізгіштігінің артуына алып келеді. Сыртқы факторлардың әсерінен ток өткізгіштігі таза монокристалды жартылай өткізгіште меншікті өткізгіш деп аталады, себебі ол тек қана жартылай өткізгіштің қозған күйімен ескертілінген. Сыртқы әсерлердің жоғалуымен бос электрон-кемтікті шарлар жоғалады (бір-бірімен кері комбинацияланады) және меншікті өткізгіштігі нөлге ұмтылады.
Жартылай өткізгіштің сыртқы фотоэффект құбылысы да бар. Бірақ ол металдағы жағдайға қарағанда әлдеқайда күрделі сипатқа ие.
Жартылай өткізгіштің сыртқы фотоэффектін жасау үшін квант жұтып алынған энергиясы толтырылған аймақтан электрондарды шығаруға және оларды жартылай өткізгіштен жоюға жеткілікті болуы керек.
Сонымен, жартылай өткізгіштегі сыртқы фотоэффект сәулеленудің жиілікпен әсері арқасында болады, ол ішкі фотоэффект қарастыратын жарық жиілігінен әлдеқайда үлкен. Сондай жоғары жиілікті сәулелену үлесі жалпы түсетін күн сәулеленумен салыстырғанда үлкен емес, сондықтан әдеттегі жартылай өткізгіштерде сыртқы фототоктар аз.
Жарықты электр энергиясына түрлендіру ішкі фотоэффектімен ғана байланысты.
Тек қана бір меншікті өткізгіштікке ие идеалды таза жартылай өткізгіш материалдар жоқ. Әдетте жартылай өткізгіш қандай да бір белгілі типті өткізгіштікке ие: не тек қана кемтікті (р-типті), не тек қана электронды жартылай өткізгіштің өткізгіштік типі оның кристалдық торына активті қоспалар енгендегі валенттілікпен анықталады.

1.3 Фотоэлементтің жұмыс істеп принципі

Жұмыс істеу принципі бойынша барлық фотоэлементтер екі класқа бөлінеді. Бірінші класқа жататын фотоэлементтер сыртқы фотоэффектке негізделген вакуумды және газ толтырылған, екіншісіне бекітілген қабатты жартылай өткізгіштік фотоэлементтер. Оларды басқаша вентилді (жапқыштық) деп атайды, оның жұмысы ішкі фотоэффектке негізделген. Соңғыларға мыс тотығы, селен, германий, кремний және басқалар жатады.
Оның жұмыс принципі металдан (калий, барий) немесе жартылай өткізгіштен жасалған электродтың (фотокатод) бетіне электрмагниттік сәуле түсіргенде фотоэффект құбылысының пайда болуына негізделген. Фотоэлементтің сыртқы фотоэффектжәне ішкі фотоэффект құбылыстарына негізделіп жасалған түрлері бар. Сыртқы фотоэффектіге негізделген фотоэлементте (электрвакуумды фотоэлемент) жарық әсерінен электрондар шығаратын фотокатод пен электрондарды жинағыш анод вакуумнемесе газ толтырылған баллонға орнатылады.
Вентилді фотоэлементтердің басқа түрлерден айырмашылығы жарық сәулеленуінің әсерінен олар бірқатар жағдайда тура күн жарығында меншікті п.ә.к.-ін өндіреді. Ол вольттің оннан бір бөлігі. Сонымен олар сәулелік энергияны электр энергиясына түрлендіруіне мүмкіндік береді. Электр энергиясының көзі ретінде қолданылатын фотоэлементтер, әдетте фотоэлектрлік фототүрлендіргіштер немесе жай фототүрлендіргіштер деп аталады. Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің қазіргі кезде ең жетілгендеріне кремний элементі жатады.
Кремнийді негізгі материал ретінде таңдау бірқатар факторларға негізделген.
Біріншіден, кремний оттегіден кейінгі Жер бетіндегі ең көп тараған элемент және оның өндірісі жақсы игерілген.
Екіншіден, теория көрсеткендей, күн спектрі үшін ең үлкен қуат шығысы фото түлдендіргіштен алынады, олар тыйым салынған аймағының ені 1-1,5 эвшектерінде жататын жартылай өткізгіштермен дайындалады.
Үшіншіден, кремний фототүрлендіргіштері күн сәулеленуін өзінің спектрлік сезімталдығына қолдануына жақын келеді.
Оптикалық ортаға (мысалы, зерттелетін заттың ерітіндісі) түскен жарықтың бір бөлігі шағылады, біразы жұтылады не шашырайды, ал қалғаны орта арқылы өте шығады. Сол себепті орта (зат) арқылы өткен кезде жарық ағыны біртіндеп әлсірейді. Кезкелген зат электромагниттік толқындарды жұтады және шашыратады. Жарықтың жұтылуы дегеніміз түскен жарық энергиясының энергияның басқа түріне айналуы нәтижесінде жарық интенсивтілігінің бәсеңдеуі. Жарықтың жұтылуы кезінде жарық энергиясы ішкі энергияның басқа түрлеріне айналады, осы кезде затта әртүрлі құбылыстар жүруі мүмкін: жылулық қозғалыстың интенсивтілігі артуы (жылулық эффект), атомдар мен молекулалардың қозуы және иондануы, молекулаларлдың белсенділігі артуы (фотохимиялық эффект) және т.б.
Белгілі бір қалыңдықтағы жарықты жұтатын орта арқылы өткен жарық пен түскен жарықтың интенсивтіліктерін байланыстыратын жарықтың жұтылуының негізгі заңын француз ғалымы Бугер тәжірибе жүзінде анықтаған және ол Бугер заңы деп аталады:

I=I0e-ax(1.3.1)

Мұндағы: I0-түскен жарықтың интенсивтілігі, - I0-ерітіндіден өткен жарықтың интенсивтілігі, e-натурал логарифмнің негізі,
k - жұту коэффициенті деп аталады, ол жарықтың интенсивтілігіне байланысты емес, ол жарықтың толқын ұзындығына, заттың табиғатына байланысты болатын тұрақты шама.
Монохроматты жарықтың параллель шоғырының біртекті ортада жұтылу заңын Н.Бугер тағайындаған: Ортаның қалыңдығы бірдей әрбір келесі қабатында оған түскен жарық толқынының энергия ағынының бірдей бөлігі жұтылады және ол ортаның абсолюттік шамасына тәуелді емес. Бугер заңын теориялық жолмен кейінірек неміс ғалымы И. Ламберт қорытып шығарған.
Бугер заңының негізінде қалыңдығы ꝓ , концентрациясы С болатын жарықты жұтатын ерітінді арқылы өткен жарықтың интенсивтілігін анықтайық. Заттың осы қалыңдығы арқылы өткен жарықтың интенсивтілігі мынадай теңдеумен өрнектеледі:

I=I010-λ0l(1.3.2)

Тәжірибе жағдайында (2)-ші заң былайша жазылады:

I=I010-e0l(1.3.3)

Мұндағы: e0- белгілі бір λтолқын ұзындығындағы жұтудың молярлық коэффициенті.
(3)- ші формуладағы қарама-қарсы таңбамен алынған дәреже көрсеткіші оптикалық тығыздық деп аталады.
(2)- ші және (3)-ші формулалардан көретіндей, түскен және жұтылған жарықтың интенсивтіліктерінің қатынасын өлшеп және шамасын біле отырып, заттың таралымын С (концентрациясын) анықтауға болады. Егер бір заттың екі ерітіндісінің концентрациялары, қалыңдықтары әртүрлі болып, жарықты бірдей жұтса, онда мына шарт орындалады: D1=D2
Практикада екі физикалық шаманы өлшейді: өткізгіштік коэффициент және (Т) және оптикалық тығыздық (D).
Өткізгіштік коэффициент (ортаның мөлдірлігі) жұтылған және түскен жарықтың интенсивтіліктерінің қатынасына тең шама:
T=T I0(1.3.5)
Атомдармен байланысқан электрондардың энергиясы, оның шегінде табылатын толтырылған энергетикалық аймақ немесе валенттік байланыс аймағы деп аталады. Бос электрондардың энергиясы салыстырмалы үлкен, сондықтан ол әлдеқайда жоғары энергетикалық аймақта - өткізу аймағында тұрады. Толтырылған аймақ пен өткізу аймағының арысында тыйым салынған энергиялардың аймағы болады, яғни энергиялардың мұндай мәндегі аймағында, берілген жартылай өткізгіштің материалының байланысқан да, бос күйінде де бола алмайды. Бұл жартылай өткізгіштердің әртүрлі тыйым салынған аймақтағы мөлшері әрқилы. Мысалы, германий үшін - 0,7 эв (электроновольт), ал кремний үшін 1,12 - эв .
Бос электрон-кемтік жұбының мөлшері жартылай өткізгіштердің беті жарықтанғанда кенет өсуі мүмкін. Бұл мынамен түсіндіріледі, кейбір фотондардың энергиялары электрондарды атомдардан шығарып алуға және оларды толтырылған аймақтан өткізу аймағына ауыстыруға жеткілікті болады. Электрондардың және кемтіктердің концентрациясының артуы жартылай өткізгіштік материалдың өткізгіштігінің артуына алып келеді. Сыртқы факторлардың әсерінен ток өткізгіштігі таза монокристалды жартылай өткізгіште меншікті өткізгіш деп аталады, себебі ол тек қана ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.