ФОТОЭЛЕМЕНТ

Изобретение относится к области электротехники и служит для преобразования электромагнитного излучения в электрический ток.
Известен твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию на основе сендвич-структуры, включающий неорганический полупроводник - кремний n-типа проводимости, электропроводящий органический полимер и пленку золота, снабженный электрическими контактами [1]. Недостатком данного фотоэлемента является сложность технологии его изготовления.
Известен также фотопреобразователь, содержащий стеклянную. подложку, полупрозрачный тонкопленочный металлический электрод, фоточувствительный слой на основе органического соединения и второй тонкопленочный металлический электрод [2]. Недостатком данного фотоэлемента является сложность технологии, высокая себестоимость его изготовления и необходимость применения органических фоточувствительных веществ.
Целью настоящего изобретения является упрощение технологии и снижение себестоимости изготовления фотоэлементов. Данная цель достигается тем, что полупрозрачный слой выполнен из металла, имеющего меньшую работу выхода электронов или контактную разность потенциалов, а второй непрозрачный слой металла, контактирующий с первым, имеет большую работу выхода электронов или контактную разность потенциалов. Фотоэлемент
также, может содержать полупрозрачные металлические слои, нанесенные с двух сторон от непрозрачного слоя металла. В этом случае один из электрических контактов подсоединен к середине сечения слоя металла с большей работой выхода электронов или контактной разностью потенциалов. Поверхности слоев металлов могут иметь зеркальные оптические характеристики, для оптического диапазона с шероховатостью Rz<0,5 λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения. Кроме того, слои металла с наружных сторон помещаются в окружающую их со всех сторон диэлектрическую рубашку, прозрачную со стороны полупрозрачных металлических слоев.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1. изображен основной вид фотоэлемента, на фиг.2 приведена схема, поясняющая квантово-механический смысл изобретения. На фиг.3 представлен фотоэлемент с двумя полупрозрачными металлическими слоями, а на фиг.4 - фотоэлемент с защитной диэлектрической рубашкой.
Полупрозрачный слой металла 1 (фиг.1) нанесен на непрозрачный слоя основного металла 2, имеющий большую толщину нежели первый слой. При этом полупрозрачный слой металла характеризуется работой выхода электронов или контактной разностью потенциалов, меньшей чем такие же характеристики у непрозрачного слоя. К слоям металла подключены токопроводящие контакты 3 и 4, которые образуют электрическую цепь с полезной нагрузкой R и вольтметром V. На фиг.2 слои 1 и 2 представлены с большим масштабом
увеличения. Полупрозрачный слой металла 5 (фиг.3) может быть нанесен также на обратную сторону непрозрачного слоя 2. В этом случае один из электрических контактов 6 подведен к середине непрозрачного слоя металла. Поверхности слоев металла могут иметь зеркальные оптические характеристики, например, для оптического диапазона с шероховатостью Rz<0,5 λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения. Кроме того, слои металла (фиг.4) могут быть заключены в диэлектрическую прозрачную рубашку 7, например, из стекла.
Фотоэлемент работает следующим образом. Кванты электромагнитного излучения, имеющего поток Ф, проникая в полупрозрачный слой металла (фиг.2), сталкиваясь с электронами отдают ему свою энергию, в результате чего кинетическая энергия электронов увеличивается и они за счет импульса кванта света p=hν, где h - постоянная Планка, ν - частота электромагнитного излучения, (внутреннего фотоэффекта) по направлению импульса проникают в слои непрозрачного основного металла 2. Вследствие того, что работа выхода или контактная разность потенциалов у непрозрачного слоя больше, чем у полупрозрачного, вблизи поверхности раздела в непрозрачном слое накапливается избыток электронов, создавая электрический отрицательный потенциал. В полупрозрачном слое металла образуется недостаток электронов и образуется положительный потенциал. В результате на границе между слоями создается разность потенциалов, и по электрической цепи через сопротивление R начинает течь электрический ток, который
фиксируется вольтметром V. В случае, когда на основной слой металла 2 нанесены с 2-х сторон полупрозрачные слои эффективность фотоэлемента повышается. Поверхности слоев металла могут иметь зеркальные оптические характеристики, для излучения оптического диапазона с шероховатостью Rz<0,5 λ, где λ - длина волны электромагнитного излучения. Это позволяет за счет отражения квантов вдвое повысить импульс, передаваемый электронам, и снизить потери от возвратных вихревых токов. Эффективность фотоэлемента, когда он со всех сторон окружен диэлектрической рубашкой, еще более возрастает за счет исключения внешнего фотоэффекта (фиг.4).
Слои полупрозрачного металла, например, методом плазменного напыления, электролитического осаждения или другим способом можно наносить на основной металл с очень высокой производительностью и весьма низкой себестоимостью в огромных промышленных масштабах.
Источники известности
1. Твердотельный фотогальванический элемент для преобразования энергии света в электрическую энергию. Патент SU 1801232 А3 от 04.03.93.
2. Фотопреобразователь. Авторское свидетельство СССР SU 1519473 А1 от 21.10.87.