Лабораторна робота № 9 вивчення фотоелектричних властивостей вентельних фотоелементів.

Мета роботи: встановити зв'язок між фотоелектричними властивостями

вентильних фотоелементів і світловим потоком.

Завдання: встановити зв'язок між енергією світлового потоку, що падає

на фотоелемент і фото - ЕРС фотоелемента; отримати дані для встановлення зв'язку між величиною фотоструму İ_ф і спадом напруги на опорі навантаження; визначити коефіцієнт корисної дії фотоелемента.

Обладнання: фотоелемент; джерело світла, джерело напруги, магазин

опорів, реостат, мікроамперметр, вольтметр.

Вентильний фотоелемент (ВФ) – це напівпровідниковий прилад, за допомогою якого світлову енергію перетворюють в електричну. Його дія заснована на вентильному фотоефекті. Будова вентильного фотоелемента показана на рис. 1а). Якщо ВФ вімкнути в замкнене електричне коло і освітити світлом, в колі виникне електричний струм. Електричний струм буде створювати фото-ЕРС, яка виникає в ВФ. Фізична задача лабораторної роботи полягає в встановленні зв’язків між величиною світлового потоку Ф і електричними характеристиками кола.

2

4

1

Рис. 1а) Рис. 1б)

Вентильний фотоелемент (ВФ): Електричне коло для вивчення характеристик ВФ:

1– n-напівпровідник; 2– p-напівпровідник; 1–вентильний фотоелемент; 2–мікро–

3– n-p шар; 4– контакти. амперметр; 3– опір R_н; 4– світловий потік Ф.

Теоретичні відомості

При освітленні напівпровідника в ньому одночасно виникають електрони і дірки. Вивільнені світлом носії заряду переміщуються із області де вони створені і де їх багато, в область, де їх мало, тобто електрони накопичуються в n–області, а дірки в р–області. Ці процеси обумовлені електричним полем, яке створюється іонами донарних і акцепторних домішок. По мірі накопичення в n–області електронів і в р–області дірок, зростає напруженість електричного поля, яка протидіє цьому процесу. З появою такого поля виникає зворотній процес переміщення носіїв заряду. З часом виникає динамічна рівновага при якій число неосновних носіїв заряду, що проходять через запірний шар, дорівнюється числу носіїв заряду, які переміщуються в оберненому напрямку. Електричне поле, яке утворюється на межі р-n – переходу при встановленні динамічної рівноваги між потоками носіїв заряду і обумовлює фото-ЕРС.

Величина фото-ЕРС ε_в залежить від енергії світлового потоку, що падає на ВФ і кількісті електронно-діркових пар, які створюються в напівпровіднику. В окремих випадках значення ε_в може досягати одного вольта на один р-n перехід. Максимальна величина фото-ЕРС визначається шириною забороненої зони напівпровідника і не може її перевищувати. Типова залежність величини Е_в від світлового потоку Ф приведена на рис. 2.

Рис.2 Рис.3

Графік залежності фото-ЕРС Вольтамперна характеристика

від світлового потоку Ф. кремнієвого фотоелемента.

Вольт амперна характеристика I=ƒ(V) напівпровідникової системи з р-n переходом описується таким рівнянням:

(1)

де I – струм, який протікає в зовнішньому колі, I_S – струм насичення через неосвітлений р-n перехід, e – заряд електрона, V – зовнішня різниця потенціалів на р-n переході, k – стала Больцмана, Т – абсолютна температура, I_L – струм, який створюється носієм заряду під дією світла.

Сімейство дослідних кривих, що відбиває залежність струму від напруги I=ƒ(V) зображена на рис. 3. Кожний з графіків відповідає певному світловому потоку Ф. Точки на вольтамперних характеристиках, розміщених на вісі струмів визначають струм короткого замикання І_кз (зовнішній опір R=0), а точка на вісі напруг V_xx – величині напруги холостого ходу фотоелектричної системи (R→ ).

Рис. 4

Навантажувальна характеристика вентильного фотоелемента

На рис. 4 зображена окрема частина графіка на рис. 3, яка описує характеристики навантаженного електричного кола. Якщо через початок координат (т.0) провести пряму до перетину з графіком ділянки АВ, то на їх перетині отримаємо т. К, яка визначає величину струму навантаження І_н і спад напруги V_н на опорі навантаження R_н. За даними І_н і V_н можна розрахувати потужність Р_н, яка витрачається на опорі R_н. На рис. 4 потужність Р_н чисельно дорівнює площі прямокутника зі сторонами І_н і V_н. За графіком можна визначити умови, при яких потужність Р_н досягає максимального значення (треба знайти значення сторон прямокутника, при яких його площа максимальна).

Речовиною, на базі якої роблять вентильні фотоелементи є кремній, германій, селен і деякої сполуки. Кремнієві фотоелементи мають найбільш високий ККД, тому їх використовують для перетворення сонячної енергії в електричну.

Найважливішим параметром вентильних фотоелементів є їх коефіцієнт корисної дії η (ККД), що визначається співвідношенням:

, (2)

де P_н – електронна потужність, яка створюється фотоелементом, a F- падаючий на фотоелемент променевий потік. Світловий потік Ф і променевий потік F пов'язані співвідношенням

Ф= , (3)

де – світлова віддача, яка має розмірність лм/Вт і для λ =0,555 мкм =683 лм/Вт. В роботі вважаємо, що величина однакова для всіх довжин хвиль (наближення).

Світловий потік Ф визначається як Ф=ЕS, де E – освітленість, a S – робоча площа фотоелемента. Якщо джерело світла точкове, то де İ₀– сила світла джерела, а г – відстань від фотоелемента до джерела. Тоді .

Враховуючи приведені співвідношення, знайдемо вирази для F і η:

(4)

. (5)

Для визначення η використовуємо тільки оптимальні значення İ_н і V_н. Найбільший коефіцієнт η вентильних фотоелементів приблизно 15-2O %.