Wydział: FTiMK |
Imię i Nazwisko: Marcin Wiśniowski |
Nr. Zespołu 5 |
Ocena Ostateczna |
Grupa: Druga |
Tytuł ćwiczenia: Zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych |
Nr. Ćwiczenia 22 |
Data Wykonania: 25.10.2002 |
Wprowadzenie
Fotoogniwo jest elementem, w którym wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne zaporowe (fotowoltaiczne). Zjawisko to polega na powstawaniu siły elektromotorycznej na styku dwu półprzewodników o różnym typie przewodnictwa (n i p) lub półprzewodnika i metalu (jeśli praca wyjścia elektronów z metalu jest większa od pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu częstości optycznych. Wartość powstającej siły elektromotorycznej zależy od rodzaju materiału użytego do konstrukcji fotoogniwa oraz natężenia oświetlenia jego powierzchni. Największe znaczenie praktyczne mają obecnie fotoogniwa ze złączem p-n. Typowe fotoogniwo ze złączem p-n składa się z elektrody bazowej wykonanej z metalu, na której znajduje się warstwa półprzewodnika. Warstwa ta pokryta jest półprzeźroczystą dla światła cienką powłoką złota lub platyny stanowiącą drugą elektrodę. Między elektrodami oświetlonego fotoogniwa wytwarza się różnica potencjałów, która powoduje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Wartość tego prądu jest, w przypadku małego oporu w obwodzie zewnętrznym, w szerokim zakresie oświetleń liniową funkcją natężenia oświetlenia E. Ta własność ułatwia zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych takich, jak np. pomiary natężenia oświetlenia, światłości, strumienia świetlnego, współczynnika absorpcji światła, itp.
Efekt fotowoltaiczny związany jest z powstawaniem swobodnych nośników ładunku wewnątrz półprzewodnika, na który pada promieniowanie elektromagnetyczne, czyli ze zjawiskiem fotoelektrycznym. O ile w złączach p-n nie spolaryzowanych zewnętrznym napięciem elektrycznym zjawisko fotoelektryczne prowadzi do pojawienia się na złączu stałej różnicy potencjałów, to w przypadku wstępnego spolaryzowania złącza w kierunku zaporowym, zjawisko fotoelektryczne spowoduje zmianę oporu złącza, jak to ma miejsce w fotodiodach.
Charakterystyka oświetleniowa fotoogniwa
Charakterystyka oświetleniowa przedstawia zależność natężenia fotoprądu if od natężenia oświetlenia E powierzchni fotoogniwa. Natężenie oświetlenia charakteryzuje powierzchniową gęstość strumienia promieniowania i definiowane jest równaniem: E = dΦ/dS, gdzie dΦ jest strumieniem świetlnym padającym na element powierzchni dS. Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest l lux.
Gdy rozmiary źródła światła są małe w porównaniu z jego odległością r od oświetlanej powierzchni, natężenie oświetlenia znajduje się z wzoru:
Wykorzystując charakterystykę oświetleniową można obliczyć czułość oświetleniową fotoogniwa:
i wyznaczyć nieznane oświetlenie dzieląc odpowiadająca mu wartość fotoprądu if przez c.
Współczynnik absorpcji
Prawo absorpcji mówi, że jeżeli przez jednorodny, bezbarwny i przeźroczysty ośrodek biegnie równoległa wiązka promieni świetlnych prostopadle do powierzchni ośrodka, to ulega ona wówczas osłabieniu zgodnie z równaniem:
J = Joe-μd
Wiązka światła białego jest mieszaniną fal o różnych długościach λ i różnych współczynnikach absorpcji. Występujący w tym wzorze współczynnik μ jest wobec tego średnim współczynnikiem absorpcji dla promieniowania widzialnego. Należy jednak podkreślić, że dla przeźroczystych, bezbarwnych ośrodków zależność μ od λ jest niewielka, o czym świadczy fakt, że wiązka światła białego po przejściu przez taki ośrodek pozostaje nadal bezbarwna.
Z prawa absorpcji wynika, że aby wyznaczyć współczynnik μ. należy dokonać pomiarów natężenia światła. Do tego celu można wykorzystać fotoogniwo. Ponieważ natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do / możemy napisać:
If = kJ = kJoe-μd = ifoe-μd
gdzie: k to współczynnik proporcjonalności, ifo - natężenie fotoprądu zarejestrowane przed przejściem światła przez ośrodek if natężenie fotoprądu zarejestrowane po przejściu światła przez ośrodek o grubości d. Stąd:
a po przekształceniu dostajemy:
lnif = lnifo - μd
gdzie if, ifo są liczbami niemianowanymi.
Jak widać lnif jest liniową funkcją grubości warstwy absorpcyjnej. Z tego równania wyznaczymy współczynnik absorpcji /zmierzać natężenie fotoprądu w funkcji grubości tej warstwy.
Tabele Pomiarowe
Tabela 1
Lp |
r m |
r2 m2 |
r-2 m-2 |
if μA |
1 |
0,40 |
0,16 |
6,25 |
1,46 |
2 |
0,45 |
0,20 |
5,00 |
1,18 |
3 |
0,50 |
0,25 |
4,00 |
0,98 |
4 |
0,55 |
0,30 |
3,33 |
0,82 |
5 |
0,60 |
0,36 |
2,78 |
0,70 |
6 |
0,65 |
0,42 |
2,38 |
0,61 |
7 |
0,70 |
0,49 |
2,04 |
0,53 |
8 |
0,75 |
0,56 |
1,79 |
0,47 |
9 |
0,80 |
0,64 |
1,56 |
0,46 |
10 |
0,85 |
0,72 |
1,39 |
0,43 |
11 |
0,90 |
0,81 |
1,23 |
0,40 |
12 |
0,95 |
0,90 |
1,11 |
0,35 |
13 |
1,00 |
1,00 |
1,00 |
0,32 |
Tabela 2
Lp |
d cm |
if μA |
1 |
0 |
8,25 |
2 |
1,05 |
6,25 |
3 |
2,10 |
5,20 |
4 |
3,15 |
4,25 |
5 |
4,20 |
3,55 |
6 |
5,25 |
3,00 |
7 |
6,30 |
2,60 |
8 |
7,35 |
2,15 |
9 |
8,40 |
1,80 |
Światło źródła = 1,55 [cd]
Ćwiczenie 1
Na podstawie Tabeli 1 rysuje wykres charakterystyki oświetleniowej fotoogniwa korzystając z metody regresji liniowej:
Wykres został wykonany przy pomocy programu udostępnionego w laboratorium który jednocześnie wyliczył prostą z regresji liniowej.
y=Ax + B gdzie A = 0.214 ± 0.003, a B = 0.111 ± 0.008
Następnie korzystając z wykresu obliczam czułość oświetleniową fotoogniwa. Jest ona dla badanego zakresu oświetleń stała.
Z zależności E = if/c obliczam oświetlenie panujące w laboratorium:
Ćwiczenie 2
Sporządzam wykres zależności fotoprądu od grubości płyt absorpcyjnych
otrzymałem wykres :
y = 8e-0,175x
zgodnie z własnością logarytmu obliczam współczynnik absorpcji:
lnCe-ax = lnC - ax
μ = -a [cm-1]
Zatem szukany współczynnik to:
μ = 17,5 * 10-2 [cm-2]
4