Photozelle

Definition und Funktionsprinzip

Eine Photozelle, auch Fotozelle genannt, misst die Intensität von Licht mit geeigneter Wellenlänge. Sie besteht aus zwei Elektroden in einem evakuierten beziehungsweise meist luftleeren Glaskolben und wird im weiteren Sinn zu den Elektronenröhren gezählt.

Ihre Funktion beruht auf dem äußeren photoelektrischen Effekt: Einfallendes Licht löst aus der Photokathode Elektronen heraus und beschleunigt sie. Treffen diese Elektronen auf die Anode, werden sie abgeleitet und können als Photostrom gemessen werden. Erreichen sie die Anode nicht, werden sie von der Kathode wieder angezogen.

Photozellen sind von Halbleiterdetektoren abzugrenzen. Photodioden, Photowiderstände und Solarzellen bestehen aus Halbleitern und werden nicht als Photozellen bezeichnet. Photozellen wurden weitgehend durch optische Halbleitersensoren ersetzt.

Aufbau

Eine Photozelle besitzt zwei Elektroden in einem Glasgehäuse, die sich in Aufbau und Anordnung unterscheiden:

• Die Kathode besteht aus einem Metall, aus dem Licht Elektronen freisetzen kann, wenn seine Energie ausreichend groß ist. Deshalb wird sie Photokathode genannt. Durch eine Beschichtung mit Caesium oder einer Caesium-Verbindung kann die Austrittsarbeit, also die zum Herauslösen eines Elektrons erforderliche Energie, verringert werden. Dadurch wird die Photozelle auch für längere Wellenlängen des sichtbaren Spektrums empfindlich.

• Die Anode ist meist als Drahtring ausgeführt und soll möglichst nicht vom Licht getroffen werden. Sie sammelt die aus der Photokathode ausgelösten Elektronen ein. Damit Elektronen die Anode bei einer möglichen Beleuchtung nicht wieder verlassen, besteht sie aus einem Metall mit besonders hoher Austrittsarbeit, zum Beispiel Kupfer.

Bei einer abgebildeten Photozelle beträgt die Länge etwa 90 mm. Die Anode ist dort ein Drahtbügel; die Photokathode wird durch den rückseitig innen mit Metall beschichteten Glaskolben gebildet.

Wenn ein hoher Strom benötigt wird, kann das Glasgefäß mit verdünntem Gas gefüllt werden. Durch Stoßionisation kann dann ein Lawineneffekt entstehen, bei dem der messbare Strom merklich ansteigt.

Betrieb mit Saugspannung

Beim Betrieb mit Saugspannung wird der positive Pol der externen Spannungsquelle an die Anode und der negative Pol an die Kathode angeschlossen. Die durch das Licht freigesetzten Elektronen werden dadurch zur Anode beschleunigt. Es kann ein Photostrom von einigen Mikroampere gemessen werden.

Bei einer kleinen Spannung von wenigen Volt ist der Photostrom etwa proportional zur angelegten Spannung. Die elektrische Feldstärke zwischen Kathode und Anode reicht dann noch nicht aus, um alle austretenden Elektronen zur Anode zu saugen. Einige Elektronen fallen auf die Kathode zurück. Der Grund ist, dass die Kathode beim Austritt eines Elektrons positiv geladen wird; entgegengesetzte elektrische Ladungen ziehen sich an.

Bei höheren Spannungen steigt der Photostrom bis zu einem Grenzwert an. Diesen Zustand nennt man Sättigung. Dann werden alle Elektronen von der Anode abgesaugt, die durch das Licht aus der Photokathode freigesetzt wurden. Wird die Spannung über etwa 100 V hinaus erhöht, steigt der Strom nicht weiter an. Diese Einstellung wird beispielsweise beim Photomultiplier verwendet, wenn extrem geringe Lichtintensitäten nachgewiesen werden sollen und kein Elektron verloren gehen darf.

Betrieb mit Gegenspannung

Ist keine Spannungsquelle angeschlossen und wird die Photozelle mit Licht ausreichend hoher Frequenz und damit hoher Energie beleuchtet, entsteht zwischen Anode und Kathode eine geringe, kaum belastbare Spannung von etwa einem Volt.

Die Photozelle arbeitet dabei als Stromquelle. Einige der aus der Photokathode ausgelösten Elektronen gelangen auf die Anode und kehren nicht mehr zur Kathode zurück. Dadurch lädt sich die Anode negativ und die Kathode positiv auf. Die entstehende Photospannung steigt mit der Frequenz des einfallenden Lichts.

Diese Betriebsart wird vor allem gewählt, um den äußeren photoelektrischen Effekt vorzuführen. Für dessen Erklärung erhielt Albert Einstein den Nobelpreis.

Geschichtliche Entwicklung

Heinrich Hertz entdeckte den äußeren Photoeffekt im Jahr 1886. Wilhelm Hallwachs setzte die Untersuchungen 1887 fort. Aufgrund seiner Ergebnisse wurde der äußere Photoeffekt lange Zeit auch Hallwachs-Effekt genannt.

Hans Geitel und Julius Elster erfanden die Photozelle 1893. Für die Messung sehr geringer Lichtstärken wurde sie durch die Integration eines Sekundärelektronenvervielfachers zum Photomultiplier, kurz PMT, weiterentwickelt. Ein Photomultiplier nutzt damit die Photozelle als Grundlage, um besonders schwache Lichtsignale nachweisen zu können.