|
|||||||
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция |
Внутренний фотоэффектВнутренний фотоэффект приводит к возникновению фотоЭДС и обуславливает возникновение фотопроводимости. При рассмотрении фотоЭДС нельзя рассматривать электроны внутри твердого тела как свободные. Свободные электроны не могут поглощать подводимую энергию.
В германии в запрещенной зоне реализуется пять свободных комбинирующих уровней энергии, а именно: 4 p 5 s 3P0, который отстоит от уровня Ферми на 0,12 эВ; уровень Энергетическая схема возможных ступенчатых возбуждений для германия приведена на рис. 151. Температурная заселенность определяется Больцмановским законом, т.е.
Подтверждением сложного характера энергетического строения германия (рис. 151) служит также зависимость квантового выхода от энергии возбуждаемых фотонов (рис. 153). Начинается возбуждение с энергии фотона ~ 0,6 эВ. При энергии фотонов 2,8 эВ возникает резкий рост квантового выхода, что обусловлено дополнительной ионизацией свободными фотоэлектронами связанных электронов с промежуточного терма
На основании (12.26) интегральный поток света от Солнца на поверхность Земли составит за пределами ее атмосферы
RС и RС,З – соответственно радиус Солнца и радиус земной орбиты. Если подынтегральное выражение в (12.23) умножить на функцию квантового выхода
Здесь верхний и нижний пределы определяются условиями пропускания светового потока атмосферой Земли и поглощающими свойствами облучаемого объекта. В соответствии с экспериментальными данными (рис. 149 и рис. 150) а = 1,44·1014 и b = 1,21·1015 Гц. Исходя из значения солнечной постоянной 1,94 кал/см2мин, температура фотосферы Солнца в предположении абсолютно черного излучателя должна быть 5760 К. При такой температуре фотосферы Солнца и при нормальном падении прямого солнечного излучения на германий на основании (12.28) возникнет плотность электрического тока, равная ~ 3182 А/м2. Такая большая величина получена в силу того, что на рис. 153 квантовый выход представлен не в абсолютных, а в относительных единицах. Так как облученный светом полупроводник является генератором электрического тока, то при включении его в электрическую цепь, выдаваемая генератором мощность, составит
где R = ρel/S – общее сопротивление полупроводника толщиной l и площадью S. Удельное сопротивление для германия ρе = 8,9·10-2 Ом·см. Облучая германий площадью 1 м2 и толщиной 1 мм, получаем разность потенциалов ~ 2,8 мВ, а выделяемая мощность составит ~ 9 Вт. С учетом рассеяния и поглощения света атмосферой Земли и частичного отражения от поверхности полупроводника получаемая мощность будет значительно меньше. Следовательно, фотоэмиссия для чистого германия не играет существенной роли в качестве преобразователя солнечного излучения в электрическую энергию. Повысить эффективность работы солнечного преобразователя энергии на полупроводниковых материалах можно путем использования контактной разности потенциалов. В этом случае преобразователь световой энергии в электрическую выступает как генератор напряжения и генератор тока. Наибольшая контактная разность потенциалов реализуется, когда полупроводник наносится на медную основу (см. табл. 12.4). Контактная разность потенциалов в области контакта повышает уровень Ферми до дна зоны проводимости. Энергетическая щель в контакте медь-кремний и медь-германий соответственно равна Рассмотрим применение внутреннего фотоэффекта в целях преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. На основании рис. 153 и рис. 154 можно положить квантовый выход в области энергий 0,06 – 1,0 эВ равным 0,1. В этом предположении германий как генератор тока на медной основе будет давать мощность ~ 18,5 Вт. Если во внешнюю цепь включить сопротивление в 1 Ом, то дополнительно к генератору тока генератор напряжения даст мощность 2,38 Вт. Результирующая мощность будет составлять ~ 21 Вт. Коэффициент преобразования таким генератором тока солнечной радиации составляет всего ~ 1,5%. Известно, что для кремниевых солнечных генераторов тока и напряжения коэффициент преобразования составляет ~ 15%, а для германиевых коэффициент преобразования должен быть выше. На самом деле все наоборот. В чем тут дело? Под воздействием лучистого потока происходит ионизация кластеров и в зоне проводимости, т.е. в межкластерных пустотах появляются свободные электроны. Такие электроны в поле световой волны совершают колебания и, сталкиваясь друг с другом, резко увеличивают свою энергию теплового движения, и уже эти электроны дополнительно приводят к температурной ионизации валентных электронов кластеров. Фотоэмиссия усиливается термоэмиссией. Возникает существенно неравновесное состояние. Электронный газ имеет температуру выше температуры кластерной решеточной структуры. Разность этих температур может составлять большую величину, так как электрон практически не передает свою энергию кластерам вследствие их большой разности масс. Эффективная температура электронного газа возрастает с увеличением светового потока заданной длины волны. Под влиянием прямого солнечного излучения эффективная температура свободных электронов может достигать значения ~ 10 900 К. В результате контактная разность потенциалов «германий-медь» возрастет до значения 3,79 В. Поток электронов от медной основы к германию может возрасти во много раз, так как потенциальный барьер между германием и медью полностью будет скомпенсирован контактной разностью потенциалов. В таком случае произойдет просто замыкание электрической цепи внутри солнечного преобразователя. Поэтому германий в качестве солнечного преобразователя не используется, а используется кремний, у которого ширина запрещенной зоны выше, чем у германия. В настоящее время интенсивно развивается наноэнергетика, физические основы которой не достаточно изучены. Поиск по сайту: |
Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Студалл.Орг (0.004 сек.) |