الخلية الكهروضوئية
أداة تستفيد من الضوء لتحرير أو لتحريك إلكترونات المادة، أي إن الضوء يقوم بتغيير خواص المادة الكهربائية. أطلق اسم الخلية الضوئية أول مرة عام 1891، فقد لوحظ صدور ما يعرف اليوم بالإلكترونات من سطوح بعض المعادن كالزنك (التوتياء) نتيجة سقوط ضوء فوق بنفسجي عليها، وهذا ما يدعى بالأثر الكهرضوئي photoelectric effect الذي اكتشف عام 1887. وقد تطلبت دراسته تخلية الأداة كي يتسنى للإلكترونات السالبة الشحنة الوصول إلى المسرى المتصل بالقطب الموجب لمدخرة بعد تحررها من سطح المعدن، (الشكل-1)، لذلك تسمى بالخلية الضوئية المخلاّة. تجدر الإشارة إلى أن دراسة هذا الأثر أسهم في اكتشاف الإلكترون. درست معادن كثيرة، فتبين أن لكل معدن تواتر ضوء محدد تبدأ عنده الإلكترونات الحرة بالظهور، وعندها فقط يزداد عددها بازدياد شدة الضوء، بمعنى أن ثمة عتبة تواتر لكل معدن، و تقع عتبة المعادن القلوية في المجال المرئي من الضوء.
h? = e ? + 1/2mv2
حيث h ثابتة بلانك و? تواتر الضوء و e شحنة الإلكترون و? كمون المعدن وm كتلة الإلكترون وv السرعة الأعظمية للإلكترونات، إذ إن الإلكترونات تصدر بسرعات مختلفة. تمثل ? عتبة كمون يجب أن يتجاوزها الإلكترون ليتحرر من سطح المعدن.
أنواع الخلايا الكهرضوئية
الثنائي الضوئي :
ظهر مع تقدم فهمنا للبنية الإلكترونية للمادة التي تشرح سلوك ناقليتها الكهربائية، وجود أنصاف نواقل فيها نوعان من الإلكترونات: مقيدة بالذرات تشكل عصابة التكافؤ وأخرى حرة الحركة داخل المادة، في درجات الحرارة العادية، تشكل عصابة النقل؛ ويزداد عددها كلما ابتعدت درجة حرارة المادة عن الصفر المطلق. أي إن هناك عتبة طاقة يجب أن تزود بها الإلكترونات كي تصبح حرة الحركة داخل المادة بصورة مشابهة لتحررها إلى الفضاء المجاور لسطح المعدن، ومن هنا يسمى هذا أحيانًا الأثر الكهرضوئي الداخلي. فإذا ما سقط ضوء بتواتر مناسب لنقل الإلكترونات بين العصابتين، غيّر من الناقلية الكهربائية للمادة نصف الناقلة، أو من مقاومتها الكهربائية، وهكذا ظهر نوع جديد من الخلايا هي الخلايا الموصلة ضوئياً photoconductive cell. كما طورت الثنائيات من أنصاف النواقل التي تتأثر بالضوء، فبعضها يصدر الضوء إذا مر فيه تيار كهربائي،في حين يسبب الضوء سريان تيار كهربائي نتيجة سقوط ضوء عليه وهو الثنائي الضوئي photodiode (الشكل-2). وتسمى الخلايا التقليدية أحياناً الصمامات الضوئية phototubes.
تطبيقات :
إن أولى تطبيقات الخلايا الضوئية قياس الشدات الضوئية، إذ يستخدم المضاعف الضوئي photomultiplier لقياس الشدات الضعيفة جداً، فيقوم بتسريع الإلكترونات الأولية الصادرة نتيجة الأثر الكهرضوئي لتصدم عدداً من المساري الثانوية فيتولد تيار كهربائي نتيجة تضاعف عدد الإلكترونات فيه، كما هو واضح في (الشكل-3). يحل محل هذه الأدوات تدريجياً الثنائيات الضوئية، كما في مقاييس الإضاءة المستخدمة في التصوير.
تستعمل الخلايا الموصلة ضوئياً أو الثنائيات البلورية ضمن دارة إلكترونية أو منظومة، بحيث يسبب تغير المقاومة أو سريان التيار، بعد تضخيم أي من الأثرين، تشغيل حاكمة ميكانيكية تفتح أو تغلق الأبواب آلياً، فتسمى العيون الكهربائية، وقد تشغل أجهزة إنذار.
تعد الخلايا الشمسية نوعاً من الثنائيات الضوئية التي تحّول الطاقة الشمسية (الضوئية) إلى طاقة كهربائية، وتعد من المحولات النظيفة التي لا تضر بالبيئة، ويزداد الطلب عليها يوماً بعد يوم.
قد تستعمل الثنائيات البلورية، بصورة معاكسة فتصدر ضوءاً عند مرور تيار كهربائي فيها، وبالتالي يمكن أن تستخدم تركيبة من ثنائيين لتقوم بدور أداة اقتران coupler يؤدي الضوء فيها دور ناقل للإشارة كما في المُقْرِن الضوئي (الشكل-4). وقد نشأ فرع علمي فيزيائي هندسي لتطوير مثل هذه الأدوات يدعى الإلكترونيات الضوئية
optoelectro.
تستعمل الخلايا الموصلة ضوئياً أو الثنائيات البلورية ضمن دارة إلكترونية أو منظومة، بحيث يسبب تغير المقاومة أو سريان التيار، بعد تضخيم أي من الأثرين، تشغيل حاكمة ميكانيكية تفتح أو تغلق الأبواب آلياً، فتسمى العيون الكهربائية، وقد تشغل أجهزة إنذار.
تعد الخلايا الشمسية نوعاً من الثنائيات الضوئية التي تحّول الطاقة الشمسية (الضوئية) إلى طاقة كهربائية، وتعد من المحولات النظيفة التي لا تضر بالبيئة، ويزداد الطلب عليها يوماً بعد يوم.
قد تستعمل الثنائيات البلورية، بصورة معاكسة فتصدر ضوءاً عند مرور تيار كهربائي فيها، وبالتالي يمكن أن تستخدم تركيبة من ثنائيين لتقوم بدور أداة اقتران coupler يؤدي الضوء فيها دور ناقل للإشارة كما في المُقْرِن الضوئي (الشكل-4). وقد نشأ فرع علمي فيزيائي هندسي لتطوير مثل هذه الأدوات يدعى الإلكترونيات الضوئية
optoelectro.