Fotoelement ja fotoelektronkordisti
Inimkond on õppinud fotoefekti enda teenistusse rakendama. Fotoefektil töötavaid seadmeid kasutatakse automaatikas ja telemehaanikas, toodete kvaliteedi kontrollimisel, valguse mõõtmisel, kinos, televisioonis, fotograafias jne. See on saanud võimalikuks tänu eriliste seadmete – fotoelementide leiutamisele. Olenemata sellest, milline on konkreetse fotoelemendi ehitus või kasutamise otstarve, on kõikide tööpõhimõte ühesugune. Fotoelemendis tekib valguse toimel elektrivool või muundatakse valguse energia elektrienergiaks, mille abil jõutakse soovitud eesmärgini.
Vaakumfotoelemendi ehitus ja töötamise printsiip
Lihtsaim fotoelement kujutab endast õhutühja klaaskolbi, mille sisepind on kaetud aine kihiga, mille väljumistöö on väike (joon. 14.1). See kiht on katoodiks. Kolvi keskel on traatsilmus – anood. Katoodi valgustamisel eralduvad sealt elektronid, mis anoodile liikudes tekitavad elektrivoolu. Tekkinud voolu tugevuse järgi on võimalik kindlaks teha näiteks katoodile langeva valguse intensiivsust. Kui ühendada fotoelement releega, siis on võimalik tööle panna mitmesuguseid automaate. Näiteks tänavavalgustuse sisse- ja väljalülitajaid, detailide loendajaid konveierilindil jne.
vähendada vooluallika pinget (kui fotovool on nõrgem küllastusvoolust)? | |
suurendada valguse intensiivsust? | |
kasutada väiksema sagedusega valgust (kui sagedus on suurem punapiirist)? |
Fotoelektronkordisti ehitus ja töötamise printsiip
Nõrkade valgusvoogude mõõtmisel kasutatakse hoopis tundlikumat seadet, nn fotoelektronkordistit (joon. 14.2). Selles juhitakse katoodist väljalöödud elektronid teisele elektroodile – dünoodile. Dünood tõmbab elektrone enda poole, sest ta potentsiaal on katoodi suhtes positiivne. Dünoodi pind on kaetud ainega, millele langevad elektronid löövad välja uusi elektrone. Sealjuures põhjustab üks dünoodile langev elektron mitme uue elektroni eraldumise. Need suunatakse järgmisele dünoodile, kus potentsiaal on veel positiivsem (vaata takisteid joonisel) ja protsess kordub. Selliselt suurendatakse fotoefektil tekkinud elektronide arvu, mis lubab mõõta ülinõrku valgusvooge. Fotoelektronkordistiga saab registreerida isegi üksikuid footoneid.
Välis- ja sisefotoefekt
Meie poolt käsitletud fotoefekti nimetatakse täpsemalt välisfotoefektiks. Lisaks sellele esineb pooljuhtides veel teistsugust fotoefekti – sisefotoefekti. Viimase puhul ei löö valgus ainest elektrone välja, vaid ainult vabastab neid aatomitest. Need vabanenud elektronid saavad aines vabalt liikuda, mistõttu väheneb aine elektritakistus. Sisefotoefektil töötavad fototakistid, fotodioodid, päikesepatareid.
Nii fototakisti kui fotodioodi abil saab mõõta valguse tugevust. Fototakisti korral mõõdetakse takistit läbivat voolutugevust, mis sõltub valguse intensiivsusest. Fotodioodi korral tekib valguse toimel elektromotoorjõud, mille suurus oleneb samuti valguse intensiivsusest.
Päikesepatarei
Päikesepatarei koosneb tervest hulgast üksikuist fotoelementidest, mis on omavahel elektriliselt ühendatud suureks patareiks. Siin kasutatakse fotoelemente, mis koosnevad kahest eri tüüpi juhtivusega pooljuhist (n- ja p-pooljuhid) (joon 14.3). Fotoelemendi valgustamisel tekkivad vabad laengukandjad liiguvad läbi pooljuhte lahutava tõkkekihi (pn-siire). Seejuures laaduvad fotoelemendi pooled erinimeliselt. Selliselt muutub fotoelement elektrienergiaallikaks. Nüüdisaegsed fotoelemendid (näiteks GaAs/GaSb) muudavad elektrienergiaks umbes ühe kolmandiku valgusenergiast, mis vastab parimate bensiinimootorite kasutegureile. Veel paremaid tulemusi saadakse mitmekihiliste siiretega. Näiteks kolmekihiline siire GaInP/GaInAs/Ge annab kasuteguriks 41% (2007. a).
Päikesepatareid kui energiaallikad
Kuigi üks fotoelement annab vähe elektrienergiat, võivad nad patareiks ühendatult olla märkimisväärseks energiaallikaks. Näiteks kosmoselaevades saadakse energiat just päikesepatareidest. Taoliste patareide alusel on juba loodud ka maapealseid elektrijaamu, mille võimsus ulatub kümnete megavattideni. Need on tänapäeval väikesed võimsused, kuid Maa energiaprobleemi üht lahendust nähakse ka päikesepatareides. Annab ju Päike Maale igas sekundis ligemale 3 · 1010 MJ energiat, mis võrdub mitme miljoni hiidhüdroelektrijaama energiaga.
Portugalis hakati 2006. a projekteerima jaama võimsusega 116 MW, mille pindala on umbes 500 jalgpalliväljaku suurune (250 ha).
Energia transport kosmosest Maale
Päikesepatareidest on rohkem kasu kõrbealadel, kus Päike paistab peaaegu kogu päeva, mujal segab patareide tööd pilvkate. Sellest hädast loodetakse üle saada suurte, mitme ruutkilomeetri suuruste päikesepatareide paigutamisega kosmosesse. Seal nad saavad energiat toota ööpäevaringselt. Saadud energia muudetakse elektromagnetlainete (mikrolainete) energiaks ja need lained suunatakse Maale (joon 14.4). Mikrolained läbivad Maa atmosfääri peaaegu neeldumata ja Maa peal muudetakse nende energia uuesti elektrienergiaks.
Ülesanded
- Esitage omapoolne fotoelemendi gradueerimise projekt.
- On teada, et päikesekiired toovad Maale igas sekundis ca 1,3 kJ kiirgusenergiat 1 m2 kohta. Hinnake, kas päikesepaistelisel päeval sõiduautole langevast Päikese valguse energiast piisaks sellega sõitmiseks. Auto massiks võtta 1000 kg, kiiruseks hõõrdeteguriks 0,3. Selleks hinnake sõiduauto katuse pindala ja eeldage, et kogu päikesevalgus neeldub auto katusele paigutatud päikesepatareis ja muudetakse kasulikuks tööks.
- Hinnake, kui suur peaks olema päikesepatarei pindala, et Eestis võiks selle abil saada kasulikku võimsust 100 W. Kasuteguriks lugeda 15% ja eeldada, et maapinnaga risti langevate päikesekiirte võimsus on 1,3 kW ühe ruutmeetri kohta.
?
- Milline võiks olla tänavavalgustuse automaatlüliti elektriline skeem?
- Kas ka sisefotoefektil on punapiir?
- Kuidas fotovoolu abil kindlaks teha fotoelemendile langenud valguse intensiivsust?
- Kas fotovoolu tugevus oleneb fotoelektronkordisti pingejaguri takistite suurusest? Kui, siis kuidas?
- Milline võiks olla graafik, mis kirjeldab vaakumfotoelemendis tekkiva fotovoolu ja valguse intensiivsuse vahelist seost?
🌈 Oluline
- Fotoelementides põhjustab valgus elektrivoolu tekkimise või muundatakse valgusenergia elektrienergiaks.
- Pooljuhtides esineva sisefotoefekti korral valgus ei löö elektrone ainest välja, vaid vabastab need aatomeist. Vabad elektronid aga vähendavad aine elektritakistust.
