Фото-элементы

М. ШИПАЛОВ

Почти пятьдесят лет назад (в 1888г.) профессор Московского университета А. Г. Столетов продемонстрировал перед членами съезда естествоиспытателей исключительно интересный опыт, поразивший всех собравшихся.

На демонстрационном столе помещалась обыкновенная цинковая пластинка. Параллельно ей на некотором расстоянии стояла металлическая сетка. Цинковая пластинка и металлическая сетка соединялись с весьма чувствительным измерительным электрическим прибором, так называемым гальванометром. Таким образом составлялась цепь: металлическая сетка — гальванометр — цинковая пластинка и, наконец, слой воздуха, отделяющий пластинку от сетки.

Затем цинковую пластинку осветили дуговым фонарем. И вот тогда вся аудитория была поражена необычайным явлением —  стрелка гальванометра отклонилась, показывая наличие электрического тока. Откуда же появился этот ток? И как он вообще может течь по данной цепи, когда пластинка отделена от сетки слоем воздуха, а ведь воздух, как издавна считалось, не проводит электричества?

На демонстрационном столе помещалась обыкновенная цинковая пластинка А. Параллельно ей на некотором расстоянии стояла металлическая сетка В. Они соединялись с весьма чувствительным гальванометром D. Цинковую пластинку осветили дуговым фонарем С.

А. Столетов разъяснил «тайну» этого, казалось бы, загадочного явления. Цинковая пластинка под действием падающего на нее света является источником отрицательно заряженных частиц — электронов, которые перелетают через воздушный промежуток к сетке. Таким образом воздух становится проводником и в цепи возникает электрический ток.

Это явление, открытое Столетовым, теперь уже достаточно хорошо изучено,  механизм его оказывается весьма простым. Теоретическое изучение его привело в наши дни уже к тому, что мы имеем широко применяемые в технике приборы, которые дают возможность превращать световую энергию в электрическую. Приборы эти получили название фотоэлементов, а само явление названо фотоэффектом, от греческого слова «фос» — свет («фото» в сложных словах, например фотография — световая запись, фотометрия — измерение света и т. п.).

Примерно в те же годы фотоэлектрическое явление было открыто и на Западе немецким физиком Гальваксом. Оно обратило на себя внимание целого ряда исследователей. Их работы установили, что если на поверхность твердого или жидкого тела падает поток лучистой энергии, то тела эти начинают излучать из себя при определенных условиях отрицательные электрические заряды.

Заряды эти получили название «фотоэлектронов».

Явление это проще всего наблюдать, поместив два электрода в стеклянную колбу, из которой откачивается воздух. Один из электродов берется в виде плоской металлической пластинки, а другой представляет собой сетку. Затем пластинка подвергается действию света. Тогда с ее поверхности вырывается поток фотоэлектронов и летит от нее к сетке. Включенный в цепь гальванометр показывает появление электрического тока.

Явление фотоэффекта проще всего наблюдать, поместив два электрода — плоскую пластинку и сетку — в стеклянную колбу, из которой откачивается воздух. Затем пластинка освещается (К — катод; А — анод; G — гальванометр)

Тотчас после открытия фотоэлектрического эффекта встал вопрос: как можно сознательно управлять этим процессом?

Систематические исследования установили весьма интересную и очень ценную в практическом отношении зависимость между силой падающего на пластинку света и количеством взрываемых им электронов, иначе говоря, силой фотоэлектрического тока. Оказалось, что с увеличением силы света, падающего на поверхность металла (в дальнейшем мы будем все наши рассуждения относить к металлам, так как они имеют наибольшее практическое значение), гальванометр показывает увеличение тока в цепи. Этот ток тем больше, чем большая сила падающего света. Немецкие исследователи Эльстер и Гейтель установили, что эта пропорциональность между силой света и силой возбуждаемого им тока имеет место в весьма больших пределах. Они нашли, что она строго сохраняется, начиная от такой большой величины, как одна треть силы солнечного света, и простираясь до такой малой, которую обнаружить глаз человеческий уже не в состоянии. Они применяли источники света в пределах от 30 тыс. люкс до 2,4 миллионных долей люкса. Сила же солнечного света выражается, как известно, величиной в 90 тыс. люкс. На основании такой строгой закономерности между силой света и возбуждаемым им током, который мы будем называть в дальнейшем «фототоком», Эльстер и Гейтель создали в 1912 г. прибор, позволяющий измерять силы света различных источников. Точность этого прибора превосходила во много раз точность всех приборов, ранее существовавших для этой цели.

Область физики, занимающаяся вопросами измерения света, называется «фотометрией». Эльстером и Гейтелем была создана так называемая фотоэлектрическая фотометрия.

Прибор Эльстера и Гейтеля представлял собой замкнутый стеклянный сосуд, в котором находился щелочной металл калий и металлическая пластинка. Прибор освещался испытуемым источником света, который возбуждал определенной силы фототок, т. е. вырывал с калия определенное количество электронов. Между щелочным металлом и пластинкой устанавливалась разность потенциалов в несколько сот вольт. Под действием этого наложенного напряжения фотоэлектроны гнались с щелочного металла к пластинке. Гальванометр, приключенный к металлу и пластинке, показывал величину силы тока, который возникал под действием данного источника света. А так как гальванометр можно выбрать с очень большой чувствительностью, т. е. такой, который измеряет весьма слабые токи, то и степень точности такого прибора была весьма большой. Таким образом сила фототока стала служить мерой интенсивности лучей света, падающих; на щелочной металл. Этот прибор, начиная с 1914 г., с большим успехом стал применяться в астрономии. Пользуясь им, стало возможно измерять силу света звезд до 9-й величины с очень большой точностью. Например, с помощью такого прибора было обнаружено, что яркость планеты Марс изменяется с течением времени. Этим же прибором был открыт целый ряд новых переменных звезд. Переменные звезды, как известно, меняют с течением времени силу своего света. Эти световые колебания при наблюдении человеческим глазом через телескоп не всегда могут быть обнаружены. Новый же прибор позволил регистрировать даже самые незначительные колебания.

Различные формы американских фотоэлементов с внешним фотоэффектом, имеющих так называемый центральный анод

Позднейшее всестороннее изучение и усовершенствование прибора Эльстера и Гейтеля дали возможность немецкому ученому Розенбергу довести точность производимых измерений до 0,01%.

Дальнейшие исследования фотоэлектрического эффекта показали, что далеко не все лучи света, падающие на данный металл, оказывают одно и то же действие.

Разные лучи по-разному «чувствуются» тем или иным металлом. Обыкновенный белый луч света состоит из нескольких цветов, на которые он и может быть разложен, давая так называемый видимый спектр. Он состоит из 7 основных ярко выраженных цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Помимо этого, с каждой стороны видимого спектра мы имеем невидимую часть — ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. Лучи одного цвета вызывают больший фототок, другого цвета —  меньший, а иные и совсем не вызывают никакого тока. Например, было замечено, что данный металл может не чувствовать красных лучей, т. е. под действием какой угодно силы красных лучей на этот металл никакого фотоэлектрического тока не возникает. Красные лучи не в состоянии вырывать электроны из данного металла. Но под действием на этот же металл фиолетовых лучей значительно меньшей силы фототок появлялся. Еще Столетов заметил, что если свет от дуговой лампы падал непосредственно на металлическую пластинку, то фотоэлектрический ток возникал, а если на пути света ставилось обыкновенное стекло или слюда (вещества, не пропускающие ультрафиолетовых лучей), то в цепи никакого тока не появлялось, и гальванометр, включенный в цепь, показывал неизменно нуль. Но стоило только убрать стекло или слюду — этот фильтр, преграждающий доступ ультрафиолетовым лучам к металлу,— как в цепи появлялся фотоэлектрический ток.

Кривые чувствительности к различным цветам спектра серно-калиевого (К—S) и серно-натриевого (Na—S) катодов и человеческого глаза (кривая видимости)

Для того чтобы свет был в состоянии вырывать из какого-либо вещества фотоэлектроны, необходима затрата некоторого количества энергии. Если у данных лучей достаточный запас этой энергии, то фотоэлектрический ток возникает; в противном же случае он отсутствует. Установлено, что наиболее «энергичными» в этом отношении являются ультрафиолетовые и еще более рентгеновские лучи.

Опыт показывает, что для некоторых металлов, например калия, красные лучи, сколь бы силен источник их ни был, не могут дать того фотоэлектрического эффекта, который может быть вызван фиолетовыми и ультрафиолетовыми лучами даже более слабого источника света.

Но фотоэлектрический эффект зависит не только от характера лучей. Сам металл и его предварительная обработка играют здесь большую роль.

Наиболее чувствительные металлы, т. е. металлы, наиболее легко отдающие свои электроны под действием света, — это так называемые щелочные металлы: калий, натрий, рубидий, цезий и др. Эти металлы чувствительны не только к фиолетовым или ультрафиолетовым лучам, но при специальном методе их обработки они становятся чувствительными и к другим цветам спектра.

Характерная особенность того или иного металла быть наиболее чувствительным к вполне определенной части спектра получила название «селективного эффекта».

Свойство металлов отдавать электроны действием света во внешнее пространство использовано в приборах, которые получили название «фотоэлементов».

Первыми конструкторами фотоэлементов были немецкие физики Эльстер и Гейтель. Однако устройство их первых фотоэлементов, появившихся 20 лет назад, было очень примитивно, и ток, даваемый ими, весьма мал.

Эти фотоэлементы представляли собой стеклянную колбу с двумя электродами. Одним из электродов служил слой калия или натрия, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы. Этот электрод получил название катода. Вторым электродом — анодом — служила металлическая сетка, впаянная в баллон на ножке. Калиевый слой покрывал большую часть внутренней поверхности колбы. Часть же ее оставалась прозрачной, образуя как бы окно для доступа света на катод, который и являлся источником электронов, вырываемых светом. Из баллона предварительно откачивался воздух. Делалось это по двум причинам: во-первых, калий и вообще все щелочные металлы очень легко окисляются на воздухе и жадно поглощают пары воды; во-вторых, электроны в пустоте с большей легкостью долетают до анода, так как в этом случае на пути их полета уже не встречаются препятствия в виде молекул воздуха.

Учение об электричестве говорит нам, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. Этим свойством воспользовались и для фотоэлементов. Присоединяя к катоду отрицательный полюс какой-нибудь батареи, например аккумуляторный, а к аноду ее положительный полюс, создают между катодом и анодом электрическое поле, под действием которого электроны, ранее не долетавшие до анода, теперь будут долетать до него. Благодаря электрическому полю они получают дополнительное ускорение. Вследствие этого приток электронов на анод увеличится, фототок будет больше.

Но, как уже указывалось раньше, чувствительность чисто калиевого катода весьма незначительна. Поэтому физики начали изыскивать пути к увеличению ее.

Оказалось, что если на поверхность калиевого слоя нанести тонкую пленку диэлектрика, т. е. не проводящего электричества вещества (серы или каких-нибудь органических соединений), или, наконец, просто окислить поверхностный слой калия, то чувствительность такого катода значительно увеличится.

Первыми фотоэлементами, получившими более или менее практическую значимость, были фотоэлементы с калиевым слоем, обработанным водородом. Но и они обладали сравнительно небольшой чувствительностью.

Позднее был разработан новый тип так называемых сернокалиевых фотоэлементов. Они изготовляются точно так же, как и водороднокалиевые, но только вместо обработки водородом на поверхность калия наносится тонкий слой серы.

Но нанесение серы на слой калия увеличивает чувствительность фотоэлемента не беспредельно. Сначала она резко возрастает и достигает определенного максимума. При дальнейшем же добавлении серы чувствительность фотоэлемента не только не увеличивается, но даже, наоборот, падает.

Таким путем шла борьба научно-технической мысли за получение фотоэлемента с возможно большей чувствительностью к свету.

И вот сравнительно недавно, 4—5 лет назад, за границей и у нас в Союзе был сделан в этом направлении крупный шаг вперед. Был разработан новый так называемый кислородноцезиевый катод. Чувствительность его превосходит чувствительность калиевых фотоэлементов в 20—30 раз. Катод этот получается нанесением весьма тонкого слоя цезия на серебряную, предварительно окисленную подкладку. Отдача электронов во внешнее пространство у такого катода требует затраты значительно меньшей энергии. Вот почему и чувствительность такого катода превосходит чувствительность всех ранее существовавших катодов.

Первые фотоэлементы делались пустотными, или, как говорят, вакуумными, т. е. из них выкачивался воздух. Это, как мы уже объясняли, сохраняло от окисления щелочной катод и облегчало доступ электронов к аноду. Но с течением времени пришли к обратному — фотоэлементы стали наполнять различными газами. Но для этой цели применяются исключительно инертные газы, т. е. такие, которые не вступают в реакцию с катодами фотоэлементов. Обычно применяются аргон и неон.

Усилительное действие газа заключается в том, что электроны, летящие с катода на анод, сталкиваются с встречающимися на их пути атомами газа и вырывают при этом из них новые электроны, или, как говорят, ионизируют атом. Таким образом увеличивается общий поток электронов, летящих на анод.

Наполнение фотоэлементов газами повысило их чувствительность в 20—50 раз по сравнению с фотоэлементами пустотными. Но эта чувствительность зависит еще и от величины наложенного на электродах напряжения.

Если наблюдать изменение фототока в зависимости от наложенного напряжения в вакуумном и газонаполненном фотоэлементах, то мы получим две совершенно разные картины.

В пустотном фотоэлементе с повышением наложенного напряжения фототок вначале растет. Но достигнув определенной величины, рост его прекращается. Мы имеем явление «насыщения». Объясняется это тем, что уже все электроны, вырываемые в данных условиях с катода, долетают до анода. И сколько бы мы теперь ни повышали наложенное напряжение, все равно уже количество долетающих до анода электронов остается постоянным, т. е. сила фототока не увеличивается.

Совершенно другое явление мы наблюдаем в газонаполненных фотоэлементах. В этом случае электроны, освобожденные светом с поверхности катода, сталкиваются с атомами газа. Атомы при этом ионизируются, т. е. теряют один или несколько своих электронов, которые также летят к аноду, увлекаемые электрическим полем от наложенного напряжения. Поэтому с повышением наложенного напряжения, т. е. с усилением электрического поля внутри фотоэлемента, фототок резко увеличивается. При усилении поля скорость первичных электронов увеличивается, увеличивается и энергия этих электронов в момент столкновения их с атомами газа, а значит увеличивается и число вторичных электронов, долетающих до анода. Это и дает нам усиление фототока.

Описанные выше фотоэлементы основаны на том, что под действием света металлы отдают свои электроны во внешнее пространство. Это свойство названо внешним фотоэффектом. Еще раньше этого, в 1873 г., физики Сел и независимо от него Май заметили, что некоторые кристаллические полупроводники изменяют под действием света свою электропроводность. Например, если осветить пластинку из селена или теллура, то она оказывает электрическому току значительно меньшее сопротивление. Это явление известно теперь под названием внутреннего фотоэффекта. Оно тоже позволяет нам использовать световую энергию.

Внутренний фотоэффект объясняется тем, что лучи падающего света освобождают у атомов данного кристалла электроны. Получается как бы добавочный ток. Он тем больше, чем сильнее освещение.

Помимо этого так называемого первичного тока, здесь возникает еще и вторичный ток. Происходит это вот от чего. Освобожденные под действием падающего света электроны (первичные) вышибают из атомов данного кристалла при столкновении с ними новые электроны (вторичные). Таким образом увеличивается их общий поток.

Для изготовления фотоэлементов, основанных на внутреннем фотоэффекте, берут какой-нибудь изолятор (стекло, фарфор или слюду). Из него делают плоскую четырехугольную или круглую пластинку. На эту пластинку наматываются две тоненькие проволочки, между которыми помещается светочувствительный материал (селен, теллур, таллий). Если приключить концы проволочек к батарее, то при одном освещении гальванометр, включенный в эту цепь, дает одно показание. Если же увеличить оснащенность, например, в два раза, то и сила тока, показываемая гальванометром, возрастает также в два раза.

Для изготовления фотоэлементов с внутренним фотоэффектом берут пластинку из изоляционного материала и наматывают на нее тоненькие проволочки, между которыми помещается фоточувствительный материал (селен, теллур, таллий). На верхнем снимке — схематический разрез селенового фотоэлемента; 7, 2— проволочки, 3— изоляция проволок, 4— селен, 5 — изоляционный остов, на котором намотаны проволочки. На нижнем снимке — общий вид селенового фотоэлемента с внутренним фотоэффектом

Существует целый ряд изящных и остроумных способов изготовления таких фотоэлементов. Но все они сводятся к тому, чтобы светочувствительный слой был возможно тоньше, а промежутки между электродами меньше. Более тонкий слой позволяет свету легче проходить внутрь кристаллов, а уменьшение промежутков между электродами понижает сопротивление самого слоя.

В 1916 г. было открыто еще одно весьма интересное фотоэлектрическое явление. Французский ученый Парионд подвергал действию света медную пластинку, покрытую закисью меди. Гальванометр, включенный между медью и закисью меди, показал возникновение электрического тока.

Это открытие дало возможность изготовлять так называемые меднозакисные или купроксные фотоэлементы. Еще их называют фотоэлементами с запирающим слоем. Здесь запирающим слоем называют слой, который образуется в месте соприкосновения медной пластинки с закисью меди.

Процесс, происходящий в таких фотоэлементах, заключается в том, что свет, проходя через слой закиси меди, вырывает на границе запирающего слоя электроны, которые и создают во внешней цепи электрический ток.

Возбуждаемый ток в таких фотоэлементах растет вместе с увеличением силы света.

Эти же фотоэлементы, на поверхность закиси меди которых нанесена тонкая пленка какого-нибудь металла, например платины, золота, серебра, отличаются от других большой чувствительностью к красной части спектра.

Наконец, делаются еще селеновые фотоэлементы с запирающим слоем. В этом случае на железную пластинку наносится слой селена, который затем покрывается тонким слоем платины, золота, серебра и т. п. Эти фотоэлементы отличаются значительно большей чувствительностью.

Селеновый фотоэлемент с запирающим слоем. Наверху — схема его устройства: 1) вид сверху: а —  железная пластинка, b — селен; 2) вид сбоку: а — железная пластинка, b — селен. На нижнем рисунке — этот же фотоэлемент в футляре.

Фотоэлементы с запирающим слоем работают без наложения дополнительного напряжения извне.

Многие товарищи, имеющие весьма смутное понятие о фотоэлементах, думают, что эти приборы дают нам возможность превращать энергию солнечного света в электричество чуть ли не в промышленных масштабах. Они предполагают, что достаточно выставить один или несколько фотоэлементов на солнце, как у нас будет даровое электроосвещение, что от этого можно привести в движение различные моторы и механизмы.

Это, конечно, грубое заблуждение. Речь здесь пока идет о весьма малых токах. 60-ваттная лампа накаливания требует для своего питания ток примерно в пол ампера. А фотоэлементы дают фототок в несколько тысяч раз меньше. И если бы мы смотрели на фотоэлементы только как на новые источники энергии, то они, конечно, не завоевали бы себе такой огромной роли в современной технике, какую видим сейчас. Даже весьма малый ток, который дает фотоэлемент, вполне достаточен, чтобы отметить его чувствительным гальванометром или привести им в действие какой-либо весьма тонкий и чувствительный прибор, например реле. Это уже приносит огромные услуги в технике.

Фотоэлементы входят сейчас почти во все отрасли промышленности, транспорта, а также и в быт. Вся новейшая автоматика производства построена на применении фотоэлементов. Сравнительно небольшая практика использования фотоэлементов в нашем Союзе говорит, что благодаря им мы можем довести отдельные области техники до весьма большого совершенства.

Современные типы советских фотоэлементов (типа ВЭИ): 1. Большой фотоэлемент для телевидения. 2. Фотоэлемент для фотометрических измерений. 3. Серно-калиевыи фотоэлемент для звукового кино (лабораторный тип). 4. Тот же фотоэлемент заводского типа. 5. Фотоэлемент с кислородноцезиевым катодом для звукового кино

Мы уже указывали на то, что фотоэлементы обладают способностью регистрировать самые незначительные изменения света, которые ни один человеческий глаз не в состоянии отметить. Это дало возможность широко применять фотоэлементы в контрольно-измерительных приборах. Но еще более существенное свойство фотоэлементов — это необычайная быстрота их реакции на свет. Так например, частота изменения света в звуковом кино, где фотоэлементы нашли себе большое применение, достигает нескольких тысяч периодов в секунду, и все же фотоэлементы успевают реагировать на каждое отдельное изменение света. В телевидении частота изменения света в единицу времени достигает еще большей величины, но и здесь фотоэлементы дают возможность отмечать малейшие изменения. Объясняется это исключительно большой скоростью распространения света и движения электронов (300 тыс. км в секунду). В этом отношении никакая механическая система не может конкурировать с фотоэлементами, так как все механические приборы, как говорят, обладают большей инерционностью, т. е. требуют на свое действие значительно большего времени, чем это нужно для полета электронов с катода на анод.

Советские фотоэлементы: б. Кислородноцезиевый фотоэлемент с центральным анодом. 7. Цилиндрический кисло-родиоцезиевый фотоэлемент с анодом в виде сетки. 8, 9 и 10. Купроксные фотоэлементы типа ВЭИ.

Однако нужно отметить, что и у некоторых фотоэлементов инерционность все же наблюдается. Это ограничивает область применения того или иного типа фотоэлемента.

Разумеется, мы не исключаем возможности использования впоследствии фотоэлемента и как нового источника энергии. Превращение столь обильной солнечной энергии в электрическую может быть принципиально решено при помощи фотоэлементов. Здесь мы должны обратить особое внимание на фотоэлементы с запирающим слоем как обладающие наибольшим коэффициентом полезного действия. Теоретические подсчеты показывают, что уже сейчас можно сделать такой фотоэлемент, который приводил бы в действие маломощный мотор.

Вполне возможно, что техника изготовления фотоэлементов достигнет такой степени совершенства, когда мы будем в состоянии практически разрешить вопрос об использовании солнечной энергии.