-
Lichtelektrischer Energiewandler mit einer Photokathode und einer
davon getrennten Anode Die Erfindung betrifft einen lichtelektrischen Energiewandler
mit einer Photokathode und einer davon getrennten Anode. Dieser Energiewandler ist
zur elektrischen Energieerzeugung in größerem Maßstab aus Sonnenenergie durch Elektronenemission
bestimmt. Unter Licht werden nachstehend stets auch die unsichtbaren Teile des elektromagnetischen
Sonnenspektrums verstanden.
-
Es ist bekannt, daß die optische Strahlung, deren Hauptquelle die
Sonne ist, große Energiemengen enthält. Die bisherigen Versuche zur Umwandlung der
Sonnenstrahlung in elektrische Energie haben sich besonders auf den inneren photoelektrischen
Effekt gestützt. Hierbei bilden sich innerhalb eines Körpers, der meist zur Klasse
der Halbleiter gehört, beim Auftreffen einer Strahlung Ladungsträger, die in einem
äußeren Stromkreis als elektrischer Strom in Erscheinung treten. Zwar sind auf diesem
Gebiet schon viele Fortschritte gemacht worden, so daß derartige Einrichtungen zum
Strahlungsnachweis und in gewissen Fällen auch als Energiequellen verwendbar sind,
aber das richtige Verhältnis von z. B. Wirkungsgrad und Gewicht ist noch nicht so
weit erreicht worden, daß eine Energieerzeugung in größerem Maßstab auf dieser Grundlage
möglich geworden wäre.
-
Andere bekannte Vorrichtungen beruhen auf dem äußeren lichtelektrischen
Effekt. Die hiernach arbeitenden Photozellen besitzen eine Kathode und eine Anode
im Vakuum, wobei die Elektronenemission von der Kathode durch auffallende Strahlungsenergie
ausgelöst wird. Einrichtungen dieser Art haben nur beschränkte Anwendungsgebiete,
da der Ausgangsstrom sehr gering ist und vor einer Verwendung im allgemeinen erst
verstärkt werden muß. Zu den bekannten Anwendungsgebieten dieser Anordnungen gehören
Türöffner, Zähler und selbsttätige Lichtschalter. Wegen des geringen Wirkungsgrades
erscheint bisher eine Energieerzeugung auf dieser Grundlage kaum möglich.
-
Um die Ausgangsleistung derartiger lichtelektrischer Vorrichtungen
möglichst hoch zu machen, muß der Außenwiderstand vergleichbar mit dem Innenwiderstand
des Energieerzeugers selbst sein. Da der Innenwiderstand der Photozellen stets sehr
hoch ist, wäre ein großer Außenwiderstand in der Größenordnung von etwa 10 Megohm
erforderlich, um Energie zu gewinnen, und die Energieabgabe wäre sehr gering. Auch
andere Überlegungen zeigen, daß die bekannten Photozellen nicht imstande sind, die
Anforderungen an geringes Gewicht und Größe zu erfüllen, die für eine Energieerzeugung
in größerem Maßstab erforderlich wären. Bei den bekannten Photozellen ist ein großer
Abstand zwischen Kathode und Anode erforderlich, weil die Herstellung der Kathode
durch Aufdampfen einer lichtempfindlichen Schicht eine Abschirmung der Anode erfordert.
Auch werden meist Kathoden verwendet, die weit größer als die Anode sind, was ebenfalls
zu einem großen Abstand zwischen Kathode und Anode führt. Der Grund für die Verwendung
verschieden großer Elektroden liegt darin, daß möglichst viel Licht auf die Photokathode
und möglichst wenig Licht auf die Anode einfallen soll. Wegen des großen Abstandes
zwischen den Elektroden wird die Stromdichte durch die Raumladung begrenzt. Es wurde
festgestellt, daß die raumladungsbegrenzte Stromdichte umgekehrt proportional zum
Quadrat des Abstandes zwischen Photokathode und Anode ist. Ferner nimmt der innere
Widerstand der Anordnung unmittelbar proportional zum Quadrat des Abstandes zu.
Damit eine grundsätzlich mit Raumladung behaftete Anordnung überhaupt funktionieren
kann, muß durch äußere Mittel ein positives Potential an die Anode gegenüber der
Kathode angelegt werden, damit die Anode Elektronen aufnehmen kann. Eine Photozelle
ist demgemäß im allgemeinen eher ein Energieverzehrer als ein Energieerzeuger.
-
Aus den genannten Gründen hat man bisher allgemein die Meinung vertreten,
daß die auf dem äußeren Photoeffekt beruhenden Photozellen zur lichtelektrischen
Energieerzeugung nicht geeignet sind. Der Betrieb mit Faugspannung zwischen Photokathode
und Anode kommt wegen des Energieaufwandes für die Erzeugung der Faugspannung nicht
in Frage, und der Betrieb ausschließlich mit der Eigenenergie
der
lichtelektrisch ausgelösten Elektronen scheiterte bisher an den oben auseinandergesetzten,
einander widersprechenden Forderungen.
-
Durch die Erfindung ist es nun gelungen, diesen Widerspruch zu lösen,
weil trotz engen Abstandes zwischen Kathode und Anode eine wirksame Abschirmung
der Anode von der Kathode und von der einfallenden Strahlung erreicht werden konnte.
-
Bei einem lichtelektrischen Energiewandler mit einer Photokathode
und einer davon getrennten Anode ist erfindungsgemäß zwischen der Anode und der
Photokathode eine dünne isolierende, für einfallende Strahlung undurchlässige Zwischenlage
angeordnet, und die Anode besteht aus einem leitenden Gitter. Diese Ausbildung der
Anode gestattet den Durchtritt der von der Kathode ausgehenden Elektronen mit ihrer
Eigenenergie in die Gitterzwischenräume jenseits der isolierenden Zwischenlage.
-
Durch die gitterartige Gestaltung der Anode können Teile der Kathode
in die Zwischenräume zwischen den Gitterstäben der Anode hineinreichen, und die
von der Kathode ausgehenden Elektronen gelangen wegen des äußerst geringen Abstandes
zwischen Anode und Kathode auf die nicht abgedeckte Rückseite der Gitterstäbe. Trotz
der Abschirmung erreicht also der größte Teil der emittierten Elektronen die Anode,
während der Gegenstrom von der Anode zur Kathode auf einen kleinen Wert begrenzt
bleibt.
-
Diese überraschend günstige Ausbeute kann durch geeignete Auswahl
der Werkstoffe noch verbessert werden.
-
Kathode und Anode können gemeinsam selbsttragend ausgebildet sein.
Vorzugsweise befindet sich der Energiewandler in einem evakuierten Kolben mit zwei
parallelen großflächigen Wänden, der aus biegsamem Stoff bestehen und von der Anode
getragen sein kann.
-
Da der Abstand zwischen Anode und Kathode nicht näher als etwa 0,05
mm beträgt, ergibt sich so eine Anordnung mit äußerst geringem Gewicht im Verhältnis
zu der pro Flächeneinheit erzeugten Energie, die sich besonders für Satelliten eignet.
-
Weitere Einzelheiten des beschriebenen Energiewandlers ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung.
Hierin ist F i g. 1 ein Teilschnitt des lichtelektrischen Energiewandlers, F i g.
2 ein vergrößerter Schnitt längs der Linie II-II in F i g. 2 und F i g. 3 ein Teilschnitt
einer anderen Ausführungsform.
-
F i g. 1 zeigt einen Vakuumkolben 10 aus lichtdurchlässigem
Stoff wie Glas oder Kunststoff. Die Abmessungen der Oberfläche des Kolbens 10 sind
weit größer als seine Dicke. Er besitzt also zwei große Stirnwände 11 und
12, die an ihrem Umfang durch eine Dichtung 13 verbunden sind. Auf der Innenseite
der einen Stirnwand 11 befinden sich elektrisch leitende Teile 14, die in bekannter
Weise durch Aufdampfen eines Metalls wie Nickel oder Kupfer oder durch Verwendung
eines Kupfernetzes gebildet sein können. Das letztere besitzt Drähte von etwa 0,05
mm Durchmesser und eine Lichtdurchlässigkeit von etwa 98 %.
-
Anschließend ist auf der gleichen Oberfläche und damit in Berührung
mit den leitenden Teilen 14 eine Schicht 16 aufgebracht, die Photoemission zeigt
und vorzugsweise eine geringe Austrittsarbeit, einen hohen Quantenwirkungsgrad und
eine breite Spektralempfindlichkeit hat. Ein geeignetes Material hierfür ist Caesiumantimonid.
Auch Caesiumwismutid und Caesium-Natrium-Kalium-Antimonid sind verwendbar. Die Photokathode
kann auch in einem gewissen Abstand von der Kolbenwand 11 angebracht werden, wenn
diese für eine bestimmte Anwendung wünschenswert ist. Da aber gewöhnlich in diesem
Fall ein weiterer Träger vorgesehen sein müßte, wird im allgemeinen die Kathode
16 unmittelbar auf der Kolbenwand 11 angebracht.
-
Statt einer gewöhnlichen Photoemissionsschicht könnte die Kathode
16 auch so ausgebildet sein, daß sie bei Infrarotbestrahlung, die in Wärme verwandelt
wird, eine Glühemission aufweist.
-
Die Photokathode 16 wird von einem Drahtnetz 18 überdeckt, das z.
B. aus Nickel oder Kupfer besteht und auf der der Kathode zugekehrten Seite eine
Isolationsschicht 19 trägt. Diese besteht z. B. aus Magnesiumfluorid oder Siliziummonoxyd
und kann durch Aufdampfen im Vakuum aufgebracht sein. Auf der der Kathode abgekehrten
Seite des Netzes 18, die als Elektronensammelfläche der Anode 20 dient, befindet
sich eine Schicht 17 aus einem Stoff mit geringer Austrittsarbeit, der z. B. ebenso
wie bei der Kathode 16 aus Caesiumantimonid oder auch aus Caesiumsilberoxyd bestehen
kann. Wenn der gleiche Stoff für die Kathode 16 und die Sammelfläche 17 verwendet
wird, können beide in einem Arbeitsgang durch Aufdampfen im Vakuum gebildet werden.
Die Anode 20 besteht also elektrisch sowohl aus dem Netz 18 als auch aus
der Elektronensammelfläche 17, die eine geringe Austrittsarbeit aufweisen kann.
Die zweite Kolbenstirnwand 12 legt sich gegen die Anode und ist am Umfang
mit der ersten Stirnwand 11 vakuumdicht verbunden.
-
Durch den Kolben sind zwei Anschlüsse 22 und 23 durchgeführt, die
mit der Kathode 16 bzw. der Anode 20 verbunden sind. Zwischen den Anschlüssen 22
und 23 befindet sich ein Außenwiderstand 24, der so gewählt ist, daß er etwa an
den Innenwiderstand des Energieerzeugers angepaßt ist, um eine möglichst hohe Energieerzeugung
zu erhalten. Die nutzbare Energie wird an den Klemmen dieses Außenwiderstandes 24
abgenommen.
-
In F i g. 2 ist ein stark vergrößerter Teil der F i g. 1 dargestellt.
Zwei sich überkreuzende Drähte des Netzes 18 sind mit einer Schicht 17 von geringer
Austrittsarbeit und einer gegenüberliegenden Schicht aus Isoliermaterial
19 überzogen, wobei die letztere in unmittelbarer Berührung mit der Photokathode
16
steht. Die von der Kathode 16 ausgehenden Elektronen legen gekrümmte Bahnen
zurück, über die sie die Fläche 17 mit geringer Austrittsarbeit der Anode
20 erreichen. Selbstverständlich werden anfangs auch die Schicht 19 aus Isoliermaterial
und die gegenüberliegende Fläche 12 des Kolbens 10 mit Elektronen beschossen. Diese
Flächen werden sich aber bald so stark negativ aufladen, daß weitere Elektronen
abgestoßen und von der weniger negativen Anode 20 aufgenommen werden.
-
Im Betrieb wird der Energiewandler nach F i g. 1 so angeordnet, daß
Licht auf die Photokathode 16 auffällt. Hierdurch werden die in der Kathode befindlichen
Elektronen so stark angeregt, daß sie die Austrittsarbeit der Kathode 16 überwinden
können.
Jedes emittierte Elektron durchläuft eine Bahn, die von
seiner anfänglichen kinetischen Energie, der Austrittsrichtung und den örtlichen
elektrischen Feldern zwischen den einzelnen Flächen abhängt, bis es eine Fläche
wie die gegenüberliegende Kolbenwand 12, die Isolierschicht 19 oder die Anode 20
trifft. Da auf .der Kolbenwand 12 und der Isolierschicht 19 die Ladung bestehenbleibt,
laden sich diese Teile negativ auf, bis ein gewisses Potential erreicht ist, das
weitere Elektronen abstößt.
-
Die Energie, die ein Elektron in der Kathode 16 im überschuß über
die Austrittsarbeit erlangt, bestimmt die kinetische Energie der emittierten Elektronen.
Nach Ablauf der Einschaltvorgänge werden Elektronen ständig von der Kathode 16 emittiert
und von der Sammelfläche 17 der Anode 20 aufgenommen, wohin sie allein wegen ihrer
kinetischen Energie wandern, während sie von den aufgeladenen Flächen der Isolatoren
12 und 19 abgestoßen werden. Die Elektronen haben also ihre maximale Energie unmittelbar
nach dem Verlassen der Kathode 16. Die Elektronen, welche die Anode 20 erreichen,
tun dies nur wegen der ursprünglichen kinetischen Energie, die sie durch die einfallende
Strahlung erworben haben.
-
Der geringe Abstand zwischen der Kathode 16 und der Anode 20 macht
die Anlegung eines Sammelpotentials zwischen den Elektroden unnötig. Die Anodensammelfläche
lädt sich sogar negativ gegen die Kathode auf. Dieser Sachverhalt ändert jedoch
den Betrieb nicht, weil durch den ausreichend geringen Abstand zwischen Anode und
Kathode keine Raumladung sich ausbilden kann. Ein Abstand von 0,05 mm ist so gering,
daß die Sonnenstrahlung an der Erdoberfläche keine Raumladungsbegrenzung hervorrufen
kann. Der durch die negative Aufladung der Anode 20 an dem Außenwiderstand 24 auftretende
Spannungsabfall macht die Anordnung zu einem Energieerzeuger. Die Anordnung ist
selbstverständlich zu stetigem Betrieb imstande, weil die von der Anode 20 aufgenommenen
Elektronen über den Außenwiderstand 24 in den äußeren Stromkreis wandern und schließlich
zur Kathode 16 zurückkehren.
-
Es wurde gefunden, daß das leitende Gitter 14 innerhalb der Photokathode
16 den Innenwiderstand der Kathode herabsetzt, wodurch der Wirkungsgrad etwas verbessert
wird. Das Gitter 14 ist aber nicht unbedingt erforderlich.
-
Die Isolierschicht 19 dient zur Abstandshaltung zwischen Anode 20
und Photokathode 16 in elektrischer und mechanischer Hinsicht. Sie kann aus Siliziummonoxyd
oder Magnesiumfluorid durch bekannte Aufdampfverfahren hergestellt werden, welche
die Bildung einer zusammenhängenden Schicht ohne Löcher mit einer Dicke von etwa
0,025 mm oder weniger gestatten. Der Abstand zwischen Photokathode und Anode, bei
dem eine Raumladungsbegrenzung auftritt, ändert sich unter anderem mit dem Material
der Photokathode der Wellenlänge des einfallenden Lichtes, der Beleuchtungsstärke
und der kinetischen Energie der Elektronen. Es wurde jedoch gefunden, daß praktisch
die Photokathode 16 einen Abstand bis zu etwa 0,5 mm von der Anode 20 haben darf.
-
Der gewünschte geringe Abstand zwischen Photokathode 16 und Anode
20 wird also allein durch die Isolierschicht 19 erreicht, die sehr dünn sein kann.
Die Isolierschicht 19 dient zur elektrischen und mechanischen Abstandshaltung zwischen
Kathode und Anode und unterstützt ferner die Abschirmung der Anode 20 gegen die
einfallende Strahlung. Die Isolierschicht 19 verhindert also auch die Elektronenemission
von der Anode 20. Photokathode 16 und Anode 20 sind über ihre gesamte
Fläche hinweg in engem Abstand angeordnet.
-
Wesentlich ist, daß der geringe Abstand zwischen Photokathode und
Anode aufrechterhalten wird, obwohl die Sammelfläche 17 der Anode
20 gegen die einfallende Strahlung abgeschirmt ist. Nur hierdurch läßt sich
die Elektronenemission von der Fläche 17, die der Emission von der Photokathode
16 entgegenwirken würde, möglichst gering halten. Die Abschirmung der Sammelfläche
17 geschieht durch das Drahtnetz 18 und die Isolierschicht 19, die zwischen der
Fläche 17 und der auf die Photokathode 16 gerichteten Strahlungsquelle liegen. Falls
ein unerwünschter Strahlungseinfall auf die der Anode 20 benachbarte Kolbenfläche
12 auftritt, kann diese Fläche geschwärzt oder undurchsichtig gemacht werden, um
die Anode 20 im Dunkeln zu halten.
-
Es ist nicht immer erforderlich, daß die Anode 20 geringe Abmessungen
hat. In gewissen Ausführungsformen ist dies jedoch erwünscht, weil hierdurch ein
geringer Abstand zwischen Kathode und Anode erzielt und die Anode abgeschirmt werden
kann. Wenn, wie dargestellt, die Anode 20 aus einem Drahtnetz 18 besteht,
auf .dessen der Photokathode abgewandter Seite die Sammelfläche 17 angebracht ist,
so wird die Elektronenweglänge durch den Durchmesser der Drähte unmittelbar beeinflußt.
Deshalb sollen die Drähte der Anordnung in F i g. 1 und 2 einen Durchmesser von
etwa 0,025 mm oder weniger haben.
-
Das als Photokathode 16 dienende photoemittierende Material soll vorzugsweise
eine geringe Austrittsarbeit und eine hohe Quantenausbeute aufweisen, d. h., die
einfallende Strahlung soll zahlreiche Elektronen aus dem Leitungsband des Kathodenmaterials
anregen, so daß sie in das Vakuum um die Photokathode 16 austreten. Einen
stärkeren Einfluß auf die Energieumwandlung hat die Austrittsarbeit der Anodensammelfläche
17, .die so gering sein soll, daß in Form von Wärme verlorengehende Energie möglichst
gering bleibt. Die Quantenausbeute der Sammelfläche 17 soll jedoch ebenfalls
niedrig sein. Unter diesen Umständen brauchen die von der Photokathode emittierten
Elektronen nicht viel Energie abzugeben, wenn sie die Anodenfläche 17 erreichen,
weil die Anode eine geringe Austrittsarbeit aufweist. Andererseits ergibt Streustrahlung
keine starke Elektronenemission der Anode 20, weil ihre freie Oberfläche
17 eine geringe Quantenausbeute aufweist. Diese Bedingungen werden von einem Material
erfüllt, dessen Leitungsband nicht stark durch Elektronen besetzt ist, aber dem
Vakuumniveau verhältnismäßig nahe liegt. Ein solcher Stoff ist Caesiumsilberoxyd,
das eine Austrittsarbeit von nur etwa 1,1 Elektronenvolt aufweist. Allgemein soll
die Sammelfläche 17 eine Austrittsarbeit von etwa 3 Elektronenvolt oder weniger
besitzen. Die Austrittsarbeit muß also gleich oder kleiner als die Austrittsarbeit
der Photokathode sein, die aus einem guten lichtelektrisch wirksamen Material besteht.
-
Ein Versuchsmodell einer Anordnung nach F i g. 1 und 2 ergab bei einem
angepaßten Außenwiderstand von etwa 3500 Ohm eine Ausgangsleistung von
4,9
Mikrowatt. Zwar stellt dies nur einen Wirkungsgrad von etwa 0,5% bei einer Eingangsleistung
von 1 Milliwatt dar, aber es muß beachtet werden, daß im Betrieb eines solchen Energieerzeugers
eine kostenlose Energiequelle in Form des Sonnenlichtes zur Verfügung steht.
-
In F i g. 3 ist ein Energieerzeuger nach einer anderen Ausführungsform
dargestellt. Die Kolbenwände 11 und 12 und die Photokathode 16 sind in gleicher
Weise wie in F i g. 1 ausgebildet. Die Photokathode 16 kann gegebenenfalls
wieder mit einem leitenden Gitter 14 versehen sein. Die Anode 30 besteht nicht wie
in F i g. 1 aus einem Drahtnetz 18, sondern aus leitenden Teilen 31 mit trapezförmigem
Querschnitt. Die Anodenanordnung 30 kann, wie dargestellt, aus parallelen Gliedern
31 bestehen oder auch in Form eines Gitters ausgebildet sein. Die Anode 30 ist von
der Photokathode 16 durch eine Schicht 32 aus Isoliermaterial getrennt, die in gleicher
Weise wie die Schicht 19 in F i g. 1 gebildet sein kann. Die Elektronen,
die von der Kathode 16 ausgehen, treffen auf die nichtparallelen Wände 33 und 34
der Anode 30, die infolge der geometrischen Verhältnisse gegen einfallende Strahlung
abgeschirmt sind und eine Schicht aus einem Material mit geringer Austrittsarbeit
aufweisen können, wie bei der Schicht 17 in F i g. 1 und 2. Die Anordnung nach F
i g. 3 hat gewisse Vorteile, insofern, als die Anodenanordnung 30 in der Größe nicht
beschränkt ist, weil der geringe Anoden-Kathoden-Abstand auch bei größeren Teilen
31 erhalten bleibt. So ergibt sich eine leichtere Herstellung als bei einem
dünnen Drahtnetz wie in F i g. 1.
-
Es kann auch ein zusätzliches Zwischenstück zwischen der Anode 20
und der Kolbenwand 12 an der dunklen Seite der Anordnung angebracht werden. Dieses
Zwischenstück soll dazu dienen, daß die Elektronen von der Kathode 16 auf der Anodenfläche
17 ankommen, ohne durch eine starke negative Ladung auf der Kolbenwand 12 behindert
zu werden.
-
Der Kolben 10 kann bei den Ausführungsformen nach F i g. 1 und 3 durch
die Anode 20 bzw. 30 getragen sein und braucht nicht selbsttragend
sein. Infolgedessen kann man einen sehr dünnen Film aus Glas oder Kunststoff für
den Kolben verwenden, der biegsam ist und die Anbringung des Energieerzeugers in
beliebiger Form gestattet. Zum Beispiel kann dieser kugelförmig oder mit einer sonst
gekrümmten Oberfläche angebracht werden.
-
Da die beschriebene Anordnung keine Raumladungsbegrenzung zeigt, kann
der Restdruck im Kolben etwas größer als sonst bei Vakuumröhren sein. Innendrücke
bis zu etwa 10-s mm Hg stören die Betriebsweise der Anordnung nicht wesentlich.
; Deswegen und weil der Kolben durch die elektrischen Teile selbst getragen wird,
sind die Anforderungen an den Kolben nicht sehr streng. Ein geeignetes leichtes
und biegsames Kolbenmaterial besteht aus abwechselnden Schichten von Glas und Polytetrafluoräthylen.
Eine ausgeführte Einrichtung mit einem solchen Kolben hat eine Gesamtdicke von nur
etwa 0,75 mm und ein Gewicht von etwa 15 kg je Kilowatt erzeugte Leistung, was wesentlich
niedriger als bei Anordnungen ist, die auf dem inneren photoelektrischen Effekt
beruhen.