36. Внешний фотоэффект и его законы. Фотоны. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Фотоэлементы и их применение.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;

• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;

• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;

• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;

• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.^{[источник не указан 910 дней]}

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью^{[источник не указан 910 дней]}. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se2 и арсенид галлия (GaAs), причём в последнем случае речь идёт о гетерофотопреобразователях(ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.^{[источник не указан 910 дней]}

Фотоэлементы (фотобарьер) для ворот и шлагбаумов — это набор из двух блоков в одинаковых корпусах. Внутри блоки разные. В одном корпусе излучатель инфракрасного луча, в другом приёмник. Блоки ставят один напротив другого через проезд.

Луч выходит из излучателя и попадает на приёмник. Если между ними есть препятствие, луч поглощается им и не попадает на приёмник. Приёмник обнаруживает пропадание луча и даёт сигнал блоку управления. Блок управления реагирует на сигнал, например, даёт команду прекратить закрывание ворот и открыть их.

Фотоэлементы различаются:

1. По типу выхода. Большая часть имеет релейный выход, то есть на выходе приёмника стоит реле. Пока сигнал есть, контакты реле замкнуты, при пропадании сигнала или питания приёмника контакты размыкаются. Такие фотоэлементы все взаимозаменяемы и вместо сломанных можно поставить комплект любой фирмы. Но есть фотоэлементы с кодовым выходом. Такие элементы встречаются реже и заменяются только на такие же или совместимые той же фирмы, т. к. протокол сигнала у каждой фирмы свой.

2. По типу корпуса — для врезной или накладной установки.

3. По типу питания излучателя — проводное или батарейное (т. н. беспроводные фотоэлементы).

Беспроводные фотоэлементы используются в том случае, когда тянуть провод питания под дорогой невозможно или слишком дорого. Они дороже обычных, требуют замены батарей раз в полгода — год. Кроме того, батареи боятся сильных морозов.

Помимо функций безопасности, фотоэлементы помогают решать и другие задачи.

Можно уехать, забыв закрыть ворота, и ничего страшного не случится. Включенная функция автозакрывание по таймеру сама закроет ворота через какое-то время, а фотоэлементы позаботятся, чтобы они ничего случайно не повредили при закрывании.

В кондоминимуме или на стоянке можно включить функцию немедленное закрытие после проезда (правда, её поддерживают не все шлагбаумы), и тогда посторонний не въедет, даже если водитель не закрыл за собой шлагбаум. Кстати, иногда он и не может его закрыть, это делается только автоматически. Ну и кроме того, от фотоэлементов поступает сигнал в компьютерную систему учёта о том, что машина действительно проехала.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, благодаря номинации шведского физика Карла Вильгельма Озеена, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет исуществует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

где   — т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества),   — кинетическая энергиявылетающего электрона,   — частота падающего фотона с энергией  , h — постоянная Планка. Из этой формулы следует существованиекрасной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже недостаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла. Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

Исследования фотоэффекта были одними из самых первых квантовомеханических исследований.

Фото́н (от др.-греч. φῶς, род. пад. φωτός, «свет») — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Этобезмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекцией спина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойствененкорпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Фотоны обозначаются буквой  , поэтому их часто называют гамма-квантами (особенно фотоны высоких энергий); эти термины практически синонимичны. С точки зрения Стандартной модели фотон является калибровочным бозоном. Виртуальные фотоны^[5] являются переносчиками электромагнитного взаимодействия, таким образом обеспечивая взаимодействие, например, между двумя электрическими зарядами.^[6] Фотон — самая распространённая по численности частица во Вселенной. На один нуклон приходится не менее 20 миллиардов фотонов.^[7]

Фотоэффе́кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированныхвеществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.