Застосування зовнішнього фотоефекту. Фотоелементи

3. Внутрішній фотоефект - перерозподіл електронів по енергетичних рівнях у діелектриках я напівпровідниках (але не в металах) під дією світла. Якщо енергія кванта hv падаючого світла перевищує ширину забороненої зони в діелектрику або напівпровіднику, то електрон, що поглинув квант, переходить із валентної зони в зону провідності. У результаті цього переходу утворюється пара носіїв: у зоні провідності електрон, а у валентній зоні - дірка. Таким чином, у зоні провідності з'являються носії заряду, і при включенні напівпровідника в ланцюг по ній буде протікати струм або при додатку зовнішнього електричного поля буде протікати струм, що змінюється залежно від освітленості.

Внутрішній фотоефект приводить:

-До зміни концентрації носіїв у зоні провідності ( тобто зміні провідності);

-Виникненню фото ЭДС.

На використанні внутрішнього фотоефекта заснована дія фотоелементів – обладнань, що перетворять світлову енергію в електричну, або властивості, що змінюють свої, під дією падаючого світла.

Властивості, що змінюють, працюють на внутрішньому фотоефекті: фотоопору (ФС), фотодіоди (ФД), фототранзистори (ФТ), фоторезистори, фотомікросхеми. Оптоелектронна пара - в одному корпусі укладені джерело світла й фотоприймач - використовуються для гальванічної розв'язки ланцюгів.

Обладнання, що перетворять світлову енергію в електричну, використовують вентильний фотоефект (різновид внутрішнього фотоефекта) - виникнення фото ЕРС на p-n переході або на границі металу з напівпровідниками. Обладнання на вентильному фотоефекті використовуються у фотоапаратах, у сонячних батареях, у калькуляторах, на супутниках, у деяких будинках. Фотоелементи використовуються також у фотометрії, спектрометрії, в астрофізику, біології і т.д.

4. Фотоелементи застосовуються зокрема в сонячних електростанціях, калькуляторах, годинах, штучних супутниках Землі, в гібридних автомобілях, садових світильниках, освітлення дорожніх знаків, в підзарядці акумуляторів в денний час і використанні цієї енергії вночі, наприклад на яхтах. Ринок фотоелементів молодий, але він постійно розвивається.

У квітні 2012 року вчені з Австрії та Японії створили фотоелементи товщиною 1,9 мікрометра - це вдесятеро менше, ніж до того доступні найтонші елементи даного типу. Їх введуть в ужиток протягом 5 років.

Ринок виробників фотоелементів з кожним роком збільшується до кілька десятків відсотків. Світовими лідерами виробництва фотоелементів є Китай і Європа.

Сонячні фотоелементи є цілком реальною технічно і економічно вигідною альтернативою викопному паливу у ряді застосувань. Сонячний елемент може безпосередньо перетворювати сонячне випромінювання в електрику без застосування будь-яких рухомих механізмів. Завдяки цьому, термін служби сонячних генераторів досить тривалий. Фотоелектричні системи добре зарекомендували себе з самого початку промислового застосування фотоелементів. Наприклад, фотоелементи служать основним джерелом живлення для супутників на навколоземній орбіті з 1960-х років. У віддалених районах фотоелементи обслуговують автономні енергоустановки з 1970-х. У 1980-х роках виробники серійних споживчих товарів почали вбудовувати фотоелементи в багато пристрою: від годинників і калькуляторів до музичної апаратури. У 1990-х підприємства енергопостачання почали застосовувати фотоелементи для забезпечення дрібних потреб користувачів.

Фотоелектричні установки качають воду, забезпечують нічне освітлення, заряджають акумулятори, подають електрику в загальну енергосистему і т. д. Вони працюють в будь-яку погоду. При мінливій хмарності вони досягають 80% своєї потенційної продуктивності; в туманну погоду - близько 50%, і навіть при суцільній хмарності вони виробляють до 30% енергії.

У наш час можна знайти не тільки фотоелектричні панелі. Різні фірми пропонують фотоелементи у вигляді легких, еластичних і міцних покрівельних плит, а також несучих стін-перегородок для фасадних робіт. Ці новинки роблять фотоелементи економічно привабливішими при включенні їх до складу будівельних матеріалів. У віддалених районах фотоелектричні установки є найбільш рентабельним, надійним і довговічним джерелом енергії. У деяких регіонах фотоелементи підвищують конкурентоспроможність систем, підключених до електромережі. Однак головне - що і у віддалених, і в приєднаних до електромереж місцевостях фотоелектричні системи виробляють чисту енергію, отримання якої не супроводжується забрудненням навколишнього середовища, на відміну від звичних електростанцій.

Насосні установки, що працюють на сонячних фотоелементах, ефективні та економічно вигідні в умовах практично будь-якого застосування водних насосів. Енергетичні компанії США виявили, що економічніше використовувати водяні насоси на сонячній батареї, ніж обслуговувати розподільні електричні лінії, що ведуть до віддалених насосів. Деякі комунальні підприємства пропонують насосні установки на фотоелементах для виконання заявок клієнтів.

У сільських районах знаходиться і інше застосування фотоелектричним системам - зарядка і освітлення електричних огорож, забезпечення циркуляції води, вентиляції, світла і кондиціонування повітря в теплицях і гідропонних спорудах.

Фотоелектричні модулі забезпечували електрикою повітряну кулю "Breitling Orbiter 3" під час його безпосадочного польоту навколо земної кулі. Протягом трьох тижнів в березні 1999 р. все устаткування на борту повітряної кулі живилося від 20 модулів, підвішених під кошиком. Кожен модуль був нахилений так, щоб давати рівномірний струм під час руху і заряджати п'ять акумуляторів для навігаційних приладів, живити систему супутникового зв'язку, забезпечувати освітлення і нагрівання води. Всі модулі відмінно працювали впродовж всієї подорожі.

Фотоелементи з успіхом застосовуються для електрифікації сіл. У наш час два мільярди людей у всьому світі живуть без електрики. Велика частина з них - у країнах, що розвиваються, де 75% населення не мають доступу до електроенергії. Віддалені села часто не підключені до мережі.

Досвід показує, що фотоелементи служать економічно вигідним джерелом електрики для основних потреб, таких як:

освітлення;

водозабір;

засоби зв'язку;

медичні установи;

місцевий бізнес.

Ті, у кого немає доступу до електроенергії з мережі, часто користуються викопними видами палива - гасом, дизельним паливом. З його використанням пов'язаний ряд проблем:

Імпорт викопного палива виснажує запас конвертованої валюти в країні.

Транспортування палива ускладнюється відсутністю нормальної інфраструктури.

Обслуговування та ремонт генератора проблематичний через брак запасних частин.

Генератор забруднює навколишнє середовище вихлопами і створює сильний шум.

Електричне освітлення за допомогою фотоелементів більш ефективно, ніж гасові лампи, а установка фотоелектричної системи зазвичай коштує дешевше, ніж продовження електромережі. Більш того, багато що розвиваються розташовані в регіонах з високим рівнем сонячної радіації, тобто в достатку своєму розпорядженні безкоштовним джерелом енергії круглий рік. Виробництво "сонячної електрики" просто і надійно, що доводить досвід експлуатації десятків тисяч фотоелектричних систем у всьому світі.

У найближчі десятиліття значна частина світового населення познайомиться з фотоелектричними системами. Завдяки їм зникне традиційна необхідність спорудження великих дорогих електростанцій і розподільних систем. У міру того, як вартість фотоелементів знижуватиметься, а технологія - удосконалюватися, відкриється декілька потенційно величезних ринків фотоелементів. Наприклад, фотоелементи, вбудовані в будматеріали, здійснюватимуть вентиляцію і освітлення будинків. Споживчі товари - від ручного інструменту до автомобілів - виграють як від використання компонентів, що містять фотоелектричні компоненти. Комунальні підприємства також зможуть знаходити все нові способи застосування фотоелементів для задоволення потреб населення.