Фотоэлектричество и фотоэмиссионный генераторЕсли говорить о явлении, объяснить которые удается лишь в рамках квантовой теории, то сразу становится понятно, что речь идет о фотоэлектрическом эффекте. Его математическое описание было сделано Эйнштейном в 1905 г. В 1887 г. Герц впервые сообщил а взаимодействии фотона света с электроном металла, и результате которого электрон приобретает энергию,, достаточную, чтобы покинуть пределы металла. При значительном количестве таких электронов их можно собрать на другой металлической поверхности и через внешнюю цепь вернуть к исходной поверхности, подобно тому как это происходит в термоионном генераторе. В таком случае отпадает необходимость в тепловой стадии преобразования энергии, поскольку; энергия сообщается непосредственно электрону, и следовательно, подобная система должна иметь более высокий к. п. д. В настоящей главе мы сначала исследуем работу фотоэмиссионного генератора, а затем рассмотрим важный с практической точки зрения метод генерирования фотоэлектричества с помощью полупроводникового диода. Мы увидим, как благодаря последним достижениям науки наконец-то удалось осуществить давнюю мечту - избежать определенных термодинамических ограничений, обусловленных наличием тепловой стадии в процессе преобразования энергии.Рассмотрим гипотетический фотоэмиссиониый генератор, который в наши годы не так популярен, как гостиницы Тулы. Фотоны света попадают на его катод, проходя через проволочную сетку, выполняющую функции анода. Чтобы предотвратить влияние пространственного заряда, электроды в генераторе располагаются очень близко друг к другу. При попадании фотона на катод его энергия поглощается электроном, который вследствие этого переходит на более высокий энергетический уровень. Если же энергия электрона превысит работу выхода катода, то электрон покидает его поверхность. Однако подобное действие оказывают не все фотоны, поскольку их энергия различна. Энергия фотона связана с частотой соотношением. Вызвать эмиссию электрона могут только фотоны с энергией, превышающей работу выхода катода. При 2 эВ электронная эмиссия с катода возможна при длине волны света меньше 0,62 мкм. Обычно в спектре солнечного излучения у поверхности земли на долю этих длин волн приходится лишь около 30% от общей радиации. Таким образом, если бы работа выхода катода фотоэмиссионного устройства составляла 2 эВ, его к. п. д. не превышал бы 30%. Но как и в термоионном генераторе, по достижении анода вследствие передачи энергии колеблющимся ионам анода, а также излучения, энергия электронов уменьшается на величину. Тогда к. п. д., равный 30%, соответствует лишь максимальной величине отношения 1 эВ наибольшее значение к. п. д. падает до 15%. Применяя электроды из других материалов с меньшей работой выхода, мы можем несколько повысить к. п. д., однако при этом сохраняется одно принципиально важное ограничение. Рассматривая принцип действия термоионного генератора, мы отмечали, что электронная эмиссия с катода становится значительной, когда при повышении его температуры энергия электронов превышает уровень Ферми на величину. В фотоэмиссионном генераторе необходимую энергию приобретают лишь те электроны, на которые непосредственно воздействует радиация; энергия же остальных электронов, а также ионов кристаллической решетки остается на уровне, определяемом температурой катода. Даже возбужденный электрон вскоре теряет свою энергию в процессе взаимодействия с соседними электронами, обладающими меньшей энергией. Поэтому лишь небольшая часть электронов, возбужденных вблизи поверхности катода или рассеянных в наружном направлении, может вырваться с его поверхности. В результате к. п. д. подобных устройств составляет даже не 15%, а всего лишь 0,15%? Поэтому катод следует нагревать с помощью концентратора. Таким образом мы вновь возвращаемся к термоионному генератору. Столь низкий к. п. д. фотоэмиссионных генераторов является причиной того, что при исследовании вопросов получения энергии им отводится незначительная роль, хотя, возможно, используя какие-то оригинальные конструкции катодов с тонкими пленками, их к. п. д. можно значительно повысить. Однако все эти возможности остались неисследованными в связи с появлением фотоэлектрических генераторов. |
||
