Фотонная энергетика

Введение.

Фотонная энергетика – это использование фотонного  излучения для получения энергии, в каком либо виде.

 Ключевым  устройством для улавливания  и преобразовании энергии фотона, с целью дальнейшего использования,  является фотоэлемент. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

     В наше время использование энергии  фотонов широко применяется в случаях, когда малодоступность других источников энергии в совокупности с изобилием солнечного излучения оправдывает её экономически.

     Поток солнечного излучения, проходящий через  площадку в 1 м², расположенную перпендикулярно потоку излучения на расстоянии одной астрономической единицы от центра Солнца (то есть вне атмосферы Земли), равен 1367 Вт/ м² (солнечная постоянная). Из-за поглощения атмосферой Земли, максимальный поток солнечного излучения на уровне моря — 1020 Вт/м². Однако следует учесть, что среднесуточное значение потока солнечного излучения через единичную площадку как минимум в три раза меньше (из-за смены дня и ночи и изменения угла солнца над горизонтом). Зимой в умеренных широтах это значение в два раз меньше. Это количество энергии с единицы площади определяет возможности солнечной энергетики.

     Перспективы выработки солнечной энергии также уменьшаются из-за глобального затемнения - антропогенного уменьшения солнечного излучения, доходящего до поверхности Земли. 

     Фотоэлемент.

     Фотоэлемент, электронный прибор, в котором в результате поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется эдс (фотоэдс) или электрический ток (фототок). Действие Фотоэлемент основывается на фотоэлектронной эмиссии или фотоэффекте внутреннем. 
 
  Ф., действие которого основано на фотоэлектронной эмиссии (внеш. фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор с двумя электродами - фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещёнными в вакууми-рованный либо газонаполненный стеклянный баллон. Фоокатодом Ф. служит фоточувствит. слой, к-рый наносится либо непосредственно на участок стеклооболочки, либо на металлич. слой (подложку), предварительно осаждённый на стекло, либо на поверхность металлич. пластинки, смонтированной внутри баллона; анод имеет вид металлич. кольца или сетки (рис. 1). Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с поверхности катода; при замыкании цепи Ф. в ней протекает фототок, пропорц. световому потоку (рис. 2, а). Для улучшения временного разрешения и увеличения пика импульсов фототока катод и анод Ф. обычно располагают плоскопараллельно с зазором 0,3-3 мм, а их выводы выполняют в виде отрезка коаксиальной или полосковой линии, согласованной по волновому сопротивлению с нагрузкой. В газонаполненных Ф. в результате ионизации газа и возникновения несамостоят. лавинного разряда фототок усиливается (напp., коэф. усиления при заполнении Аr составляет 6-8). 
 

Рис. 1. Типичные конструкции вакуумных фотоэлементов: А - выводы анода; К - выводы фотокатода; ОК - выводы металлического охранного кольца (устанавли вается для исключения попадания токов утечки на нагрузку).

Рис. 2. Схема  фотоэлемента с внешним ( а )и внутренним ( б )фотоэффектом: К - фотокатод; А - анод; Ф - световой поток; р и п - области полупроводника с донорной и акцепторной проводимостями; Е- источник постоянного тока, служащий для создания в пространстве между К и А электрического поля, ускоряющего фотоэлектроны; R _н - нагрузка. Пунктирной линией обозначен р - n -переход.

Наиб. распространение среди Ф. с внеш. фотоэффектом получили вакуумные Ф. (ВФ) с сурьмяно-цезиевым, многощелочным и кислородно-серебряно-цезиевым фотокатодами. Применение газонаполненных Ф. ограничено из-за недостаточной стабильности приборов и нелинейности их световой характеристики - зависимости фототока от падающего светового потока.

Ф., действие которого основано на внутр. фотоэффекте, представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом ( р - переходом), изотипным гетеропереходом или контактом металл- полупроводник (см. Контактные явления в полупроводниках). При поглощении оптич. излучения в таком Ф. (рис. 2, б) увеличивается число свободных носителей заряда внутри полупроводника, к-рые пространственно разделяются электрич. полем перехода (контакта). Избыток носителей заряда, возникающий по обе стороны от потенц. барьера, создаёт в полупроводниковом Ф. (ПФ) разность потенциалов, т. е. фотоэдс. При замыкании внеш. цепи ПФ через нагрузку начинает протекать электрич. ток. В качестве материала для ПФ наиб. часто применяют Se, GaAs, CdS, Ge и Si.

Ф. обычно служат приёмниками оптич. излучения, в  т. ч. приёмниками видимого света (ПФ в этом случае нередко отождествляют  с фотодиодами); ПФ используют также  для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрич. энергию - в солнечных батареях, фото-электрич. генераторах.

Основные параметры  и характеристики фотоэлемента. С в е т о в а я (и н т е г р а л ь н а я) ч у в с т в и т е л ь н о с т ь (S)- отношение фототока к вызывающему его световому потоку при номинальном анодном напряжении (у ВФ) или при короткозамкнутых выводах (у ПФ). Для определения S используют, как правило, калиброванные источники света (напр., лампу накаливания с воспроизводимым значением цветовой темп-ры нити, обычно равным 2860 К). Так, у ВФ S составляет 30-150 мкА/лм, у селеновых Ф.- 600-700 мкА/лм, у германиевых - 3^.10⁴ мкА/лм. Спектральная чувствительность (S_l)- отношение фототока к вызывающему его лучистому потоку с длиной волны l. У ВФ диапазон спектральной чувствительности находится в области спектра 115-1200 нм (в зависимости от чувствительности фотокатода и коэф. спектрального пропускания материала входного окна), у кремниевых Ф. он составляет 400-1100 нм, у германиевых - 500-2000 нм. В о л ь т-а м п е р н а я х а р а к т е р и с т и к а- зависимость фототока от напряжения на Ф. при пост. значении светового потока; позволяет определить оптим. рабочий режим Ф. У ВФ рабочий режим выбирается в области насыщения (область, в к-рой фототек практически не меняется с ростом напряжения); такой режим обычно устанавливается при напряжениях 50-100 В. У ПФ (напр., кремниевого, освещаемого лампой накаливания) значения фототока могут достигать при оптим. нагрузке (в расчёте на 1 см ² освещаемой поверхности) неск. десятков мА, а фо-тоэдс - неск. сотен мВ. Т е м н о в о й т о к (для ВФ) - ток в отсутствие освещения; определяется термоэмиссией фо-токатода и токами утечки, его величина 10^-8-10^-14 А. Кпд, или коэф. преобразования солнечного излучения (для ПФ, используемых в качестве преобразователей энергии),- отношение электрич. мощности, развиваемой Ф. в номинальной нагрузке, к падающей световой мощности; кпд достигает 15-18%.

Фотоэлементы  широко применяются в автоматике и телемеханике, фотометрии, измерит. технике, метрологии, при оптич. астрофиз. исследованиях, в кино- и фототехнике, факсимильной связи и т. д.; перспективно использование ПФ в системах энергоснабжения космических аппаратов, в морской и речной навигац. аппаратуре, устройствах питания радиостанций и др.