Nr ćwiczenia:

Zastosowanie fotoogniwa

do pomiarów fotometrycznych

Mariusz Rutkowski

W zjawisku fotoelektrycznym zaporowym (fotowoltaicznym) wykorzystuje się fotoogniwo. Zjawisko to polega na powstawaniu siły elektromotorycznej na styku dwu półprzewodników o różnym typie przewodnictwa lub półprzewodnika i metalu pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu częstości optycznych. Wartość powstającej siły elektromotorycznej zależy od rodzaju materiału oraz natężenia oświetlenia jego powierzchni. Obecnie największe znaczenie mają fotoogniwa ze złączem p-n.

Typowe fotoogniwa ze złączem p-n składa się z elektrody bazowej, wykonanej z metalu, na której znajduje się warstwa półprzewodnika. Warstwa ta jest pokryta półprzeźroczystą cienką powłoką złota lub platyny, stanowiącą drugą elektrodę. Między elektrodami oświetlanego fotoogniwa wytwarza się różnica potencjałów, która powoduje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Prąd ten nazywamy fotoelektrycznym lub fotoprądem, a wartość jego w przypadku małego oporu w obwodzie zewnętrznym jest w szerokim zakresie oświetleń liniową funkcją natężenia oświetlenia E. Ta własność ułatwia zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych (pomiar natężenia oświetlenia, światłości, strumienia świetlnego, współczynnika absorpcji światła).

Efekt fotoelektryczny związany jest z powstawaniem swobodnych nośników wewnątrz półprzewodnika, na który pada promieniowanie elektromagnetyczne, czyli ze zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym. Zjawisko fotoelektryczne powoduje zmianę oporu złącza, podobnie jak w fotodiodach.

Charakterystyka oświetleniowa fotoogniwa:

Charakterystyka oświetleniowa przedstawia zależność natężenia fotoprądu i_f od natężenia oświetlenia E powierzchni fotoogniwa. Natężenie oświetlenia charakteryzuje powierzchniową gęstość strumienia promieniowania:

gdzie:
- strumień świetlny padający na element powierzchni

ds. - element powierzchni

Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest 1lux.

Gdy rozważane źródła światła są małe w porównaniu z jego odległością r od oświetlanej powierzchni, to natężenie wyraża się wzorem:

gdzie: I - światłość źródła

- kąt między normalną od oświetlanej powierzchni i kierunkiem rozchodzenia się

Na podstawie charakterystyki oświetleniowej można obliczyć czułość oświetleniową fotoogniwa:

Współczynnik absorpcji:

Prawo absorpcji: jeżeli przez jednorodny, bezbarwny i przeźroczysty ośrodek biegnie równoległa wiązka promieni świetlnych prostopadle do powierzchni ośrodka, to ulega ona osłabieniu zgodnie z równaniem:

gdzie:
- gęstość strumienia energii przed wniknięciem wiązki w absorbent

J - gęstość strumienia energii po przejściu przez warstwę ośrodka o grubości d

- współczynnik absorpcji (odwrotność odległości)

Wiązka światła białego jest mieszaniną fal o różnych długościach λ i różnych współczynnikach absorpcji. Współczynnik μ jest średnim współczynnikiem absorpcji dla promieniowania widzialnego. Jednak dla przeźroczystych, bezbarwnych ośrodków zależność μ i λ jest niewielka, o czym świadczy fakt, że wiązka światła białego po przejściu przez taki ośrodek pozostaje nadal bezbarwna.

Aby dokonać pomiarów natężenia światła wystarczy wyznaczyć współczynnik μ w tym celu można wykorzystać fotoogniwo. Natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do J, zatem:

gdzie: k - współczynnik proporcjonalności

i_f0 - natężenie fotoprądu zarejestrowane przed przejściem światła przez ośrodek

i_f - natężenie fotoprądu zarejestrowane po przejściu światła przez ośrodek o grubości d

Zasada działania fotoogniwa ze złączem p-n:

W złączu p-n powstaje ładunek przestrzenny, wytwarzający pole elektryczne skierowane od półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p. Jest to warstwa zaporowa. Złącze znajduje się w sąsiedztwie oświetlonej powierzchni i padające na niego fotony generują w miejscu, gdzie są pochłaniane pary elektron - dziura. Jeżeli pary nośników osiągną na skutek dyfuzji obszar złącza, to nastąpi ich rozdzielenie. Pole elektryczne złącza przesuwa elektrony w głąb półprzewodnika typu n, natomiast dziurom pozwala przedostać się do półprzewodnika typu p. Zostaje zachwiana równowaga złącza i dodatkowo wytworzy się różnica potencjałów przez ładowanie się obszaru n ujemnie, a p dodatnio. Jest to zaporowe zjawisko fotoelektryczne. Na elektrodach dołączonych do złącza powstaje napięcie, które w zamkniętym obwodzie elektrycznym spowoduje przepływ prądu. W ten sposób fotoogniwo zmienia energię światła wprost na energię prądu elektrycznego. Wydajność ogniw jest niewielka. Fotoogniwa wykorzystuje się jako źródła energii do zasilania układów elektronicznych pracujących w trudno dostępnych miejscach, jako czujniki w układach automatyki, elementy baterii słonecznych oraz w fotometrycznych przyrządach pomiarowych.