فوتوسل – به زبان ساده

آیا تاکنون به چگونگی عملکرد شیر‌های دستشویی اتوماتیک فکر کرده‌اید؟ به باز شدن خودکار درهای برقی کشویی چطور؟ به چگونگی انرژی تامین شده ماشین حساب‌هایی که نمونه‌ای از آن در تصویر زیر آورده شده است، چطور؟ اساس کار همه موارد فوق، وسیله‌ای موسوم به سلول فوتوالکتریک یا فوتوسل است.

«سلول‌های فوتوالکتریک» (Photoelectric Cells) یا همان «فوتوسل» (Photocells)، هنگامی که نور به آن‌ها برخورد کند، تولید برق یا جریان الکتریکی می‌کنند. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا با زبانی ساده به بررسی فوتوسل و چگونگی عملکرد آن بپردازیم.

فوتوالکتریک چیست؟

می‌دانیم که کلمه «Photo» به معنی نور است. پس به طور ساده، فوتوالکتریسیته را می‌توانیم تولید برق (جریان الکتریکی) به وسیله نور معنی کنیم. پدیده فوتوالکتریک امروزه به واسطه پنل‌های خورشیدی (Solar Cells) برای همگان آشنا است. اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی مشهور، «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) کشف شد. اما تا سال‌های زیادی چرایی و سازوکار این اثر ناشناخته باقی ماند تا در سال 1905 میلادی توسط «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) به طور کامل تشریح شد.

البته در نظر داشته باشید که منظورمان از نور تنها طیف مرئی نیست. فوتوسل یا سلول‌ فوتوالکتریک بسته به ماده‌ای که از آن ساخته می‌شود، توانایی کار در تمامی فرکانس‌های اپتیکی را می‌تواند داشته باشد. فرکانس‌های اپتیکی در شکل زیر نشان داده شده است.

در مقاله «اثر فوتوالکتریک (Photoelectric Effect) — به زبان ساده» اثر فوتوالکتریک به طور کامل بررسی شد. آلبرت اینشتین با در نظر گفتن جنبه ذره‌ای نور، یعنی فوتون‌ها اثر فوتوالکتریک را به خوبی تشریح کرد. می‌دانیم که انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی برابر با $$E=hf$$ است که در آن $$f$$ فرکانس موج و $$h$$ ثابت پلانک با مقدار $$h=6.626\ 070\ 15\times 10^{-34}\ {\rm {J.s}}$$ است. با برخورد فوتونی با انرژی $$hf$$ به یک سطح، قسمتی از این انرژی صرف آزاد کردن الکترون‌ها از قید هسته شده و انرژی باقی‌مانده نیز صرف انرژی جبنشی الکترون جهت حرکت آن‌ها می‌شود. الکترون‌های آزاد شده به این روش به فوتوالکترون‌ها موسوم هستند. این مطلب را اینشتین به به صورت زیر فرمول بندی کرد:

$$\large K_{e}=hf-hf_{0}$$

در رابطه فوق، $$hf_{0}=\phi$$ تابع کار ماده بوده و بیانگر حداقل انرژی لازم جهت آزادسازی الکترون‌ها است. دلیل رخ ندادن اثر فوتوالکتریک برای تمامی طول موج‌ها در رابطه فوق کاملاً مشخص است. همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، تابع کار ماده وابسته به فرکانس موج تابشی است. به طور مثال اگر برای آزاد کردن الکترون از سطحی خاص، نوری با فرکانس آبی لازم باشد، نمی‌توان با نور قرمز که فرکانسی پایین‌تر (انرژی کمتر) دارد، این کار را انجام داد. حتی اگر شدت نور قرمز را بسیار زیاد کنیم، این امر حاصل نمی‌شود. چرا که انرژی لازم جهت کندن الکترون در فرکانس‌های آبی به بالا، فراهم می‌شود.

فوتوسل و فوتوالکتریسیته

همان‌طور که بیان کردیم، «فوتوالکتریسیته» (Photoelectricity) به معنی تبدیل انرژی نوری (انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی) به انرژی الکتریکی است. این امر به سه طریق مختلف که در زیر به معرفی آن‌ها می‌پردازیم، رخ می‌دهد.

فیلم آموزش نرم افزار سیلواکو – شبیه سازی افزاره های نیمه رسانا با Silvaco در فرادرس

کلیک کنید

رسانای حساس به نور (Photoconductive)

آشناترین مثالی که برای معرفی یک فوتوسل می‌توان از آن استفاده کرد، مقاومت‌های حساس به نور (Light Dependent Resistor - LDR) هستند. این دست از مقاومت‌ها بر اساس رسانایی نوری یا (Photoconductive) کار می‌کنند. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک LDR نمایش داده شده است.

همان‌طور که در تصویر مشخص است، بالای LDR یک لنز جهت متمرکز کردن نور به سلول وجود دارد. در صورت اتصال LDR در مدار الکتریکی، متناسب با جنس ماده سلول، هنگام قرار گرفتن مدار در تاریکی یا نور معمولی (مرئی)، LDR مقاومت الکتریکی بالایی از خود نشان می‌دهد. اما هنگامی که نوری با فرکانس مناسب به سلول (به طور مثال از جنس کلسیم سولفید) آن برخورد کند، از خود مقاومت کمی نشان می‌دهد.

در واقع با برخورد نور به سلول، مطابق با اثر فوتوالکتریک، نور تابشی به جریانی الکتریکی تبدیل شده و به جریان عبوری از LDR اضافه می‌شود. در اینجا نور تابش شده با تولید فوتوالکترون‌هایی در داخل ماده (افزایش الکترون‌های آزاد) باعث کاهش مقاومت الکتریکی آن می‌شود.

از کاربرد‌های مهم مقاومت‌های حساس به نور (LDR)، استفاده در شیرآلات اتوماتیک یا در‌های کشویی اتوماتیک است. به طور ساده ساختار ماده مورد استفاده در آن‌ها به گونه‌ای است که توسط نور (موج) مادون قرمز محیط به طور پیوسته جریان ثابتی را تولید می‌کند. هنگامی که دست یا بدن شما جلوی این مقاومت قرار بگیرد، میزان نور ورودی به مقاومت LDR تغییر می‌کند. در نتیجه مقاومت تغییر پیدا کرده به منزله تغییر جریان بوده که مدار الکترونیکی تعبیه شده در آن تغییرات جریان را تشخیص می‌دهد. آنگاه دستور مربوطه (باز شدن مسیر آب یا باز شدن در یا ...) صادر می‌شود.

فوتوولتائیک (Photovoltaic)

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فوتوسل یا سلول‌های فوتوالکتریک، استفاده از آن‌ها برای تولید برق (جریان ثابت) است که امروزه در بحث منابع انرژی تجدید‌پذیر و حفظ محیط زیست از اهمیت بالایی برخوردار است. پنل‌های خورشیدی (Solar Cell) که در ماشین‌حساب‌ها، ساعت‌های دیجیتالی یا نوع بزرگ آن برای تولید برق استفاده می‌شود، غالباً به سلول‌های فوتوولتائیک موسوم هستند.

اساس کار این مدل سلول‌ها همانند دیود بوده که از دو لایه نیمه‌هادی تشکیل شده‌اند. لایه بالایی غنی از الکترون بوده و لایه پایینی الکترون‌های کمتری دارد. با تابش نور، الکترون‌های آزاد شده از لایه پایینی به لایه بالایی آمده و در نتیجه اختلاف پتانسیل (ولتاژ) ایجاد می‌کنند (شکل ۶). این اختلاف پتانسیل باعث ایجاد جریان الکتریکی شده که توسط مدار خارجی منتقل می‌شود. دقت شود که ساختار لایه n به گونه‌ای است که نور را عبور داده و اثر فوتوالکتریک در لایه p رخ می‌دهد. جهت آشنایی بیشتر به مقاله «دیود در صفحات خورشیدی» مراجعه کنید.

فوتوتیوب (phototube) یا Photoemissive

فوتوتیوب‌ها را می‌توان یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های فوتوسل دانست که به طرز ماهرانه‌ای طراحی شده‌اند. ساختار کلی یک فوتوتوب در شکل زیر آمده است:

همان‌طور که از  تصویر فوق مشخص است، فوتوتیوب لوله‌ای شیشه‌ای است که درون آن خلأ شده است. صفحه‌ بزرگ موسوم به کاتد که به ترمینال منفی (الکترود منفی) متصل است، از جنس ماده‌ای است که می‌تواند مطابق با اثر فوتوالتریک در فرکانس نور تابشی، فوتوالکترون تولید کند. میله نازک نیز آند بوده که به ترمینال مثبت متصل است.

با تابش نور به کاتد، الکترون‌های آزاد شده به سمت آند آمده و از طریق آن به مدار هدایت می‌شوند.

یکی از کاربرد‌های این نوع ساختار، تقویت کننده‌هایی هستند که از چندین لایه کاتد تشکیل شده‌اند. در واقع در این حالت نور یا فوتون‌های تابشی توانایی آزاد کردن تعداد بیشتری الکترون را داش

ته که در نتیجه، یک سیگنال نوری به کیفیت بهتری تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود (گیرنده‌های نوری را در نظر بگیرید). این مدل طراحی به Photomultiplier معروف است.

همان‌طور که ملاحظه کردید، هر ۳ نوع فوتوسل معرفی شده در فوق، توانایی تشخیص نور یا تبدیل آن به جریان (سیگنال) الکتریکی را دارند. اما بکارگیری هر کدام از آن‌ها متفاوت است. پس به داریم:

• در سلول‌های رسانای نوری یا همان مقاومت‌های حساس به نور، با تابش نور و رخ دادن اثر فوتوالکتریک، جریان الکترون‌ها افزایش پیدا کرده و در نتیجه مقاومت کاهش می‌یابد.
• در سلول‌های فوتوولتایی، الکترون‌های آزاد شده در پدیده فوتوالکتریک،َ بین لایه‌هایی از جنس نیمه هادی حرکت کرده و در نتیجه اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
• در سلول‌های PhotoEmissive یا همان فوتوتیوب‌ها، الکترون‌های آزاد شده از کاتد به آند رفته و از طریق یک مدار خارجی ایجاد جریان می‌کنند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش طراحی نیروگاه فتوولتائیک با نرم افزار PVsyst (پی وی سیست)
• دی الکتریک — به زبان ساده
• ضریب شکست و روش عملی محاسبه آن — به زبان ساده
• گرافن چیست؟ — به زبان ساده

^^