Rok akademicki 1994/95	Laboratorium z fizyki
Nr ćwiczenia: 47	Charakterystyka fotoogniwa
Wydział: Elektronika Kierunek: El. i telek. Grupa: III	Paweł Kordowiecki
Data wykonania 16.11.1994 rok	Ocena		Data zaliczenia	Podpis
	T
	S

1. Zasada pomiaru

Fotoogniwa zaliczamy do urządzeń,w których realizowane jest bezpośrednie przekształcenie energii promieniowania elektromagnetycznego w energię elektryczną. Fotoogniwa stanowią układy złożone z półprzewodników o odmiennym charakterze ich przewodnictwa elektrycznego lub półprzewodnika (typu p) i metalu.

W przypadku oświetlenia półprzewodnika typu p powstają pary elektron-dziura. W przypadku, kiedy odległość od miejsca powstania par do złącza p-n stanowi wielkość mniejszą od długości przesunięcia dyfuzyjnego, to pary te w wyniku dyfuzji dochodzą do złącza, gdzie rozdzielają się pod wpływem pola stykowego. Fotoelektrony (dla nich nie istnieje bariera potencjału) zostają przeniesione przez pole stykowe do półprzewodnika typu n, powodując nadmiarową w porównaniu do równowagowej koncentrację elektronów i ładują tę część półprzewodnika ujemnie.

Powstałe w wyniku oświetlenia dziury nie mogą przenikać w obszar typu n półprzewodnika, ponieważ musiałyby pokonać barierę potencjału złącza p-n. Zablokowane w ten sposób dziury ładują obszar typu p półprzewodnika dodatnio.

Wynika z tego, że rozdzielenie ładunków doprowadza do pojawienia się dodatkowej składowej pola elektrycznego, a zatem do powstania na złączu dodatkowej różnicy potencjałów, będącej dla zewnętrznego układu siłą elektromotoryczną. Powstała w ten sposób foto-SEM jest przyłożona w kierunku przewodzenia, co powoduje, że wysokość bariery potencjalnej odpowiednio zmniejsza się. Wielkość foto-SEM zależna jest od wartości strumienia świetlnego, padającego na fotoelement.

Ogólny wzór na foto-SEM ma postać:

Przy czym: j_t = eγBE; γ -ta część par które nie uległy rekombinacji i dotarły do złącza p-n; B - wydajność kwantowa, tzn. liczba par nośników wytworzonych przez jeden kwant; j_s - gęstość prądu w obwodzie , którego SEM jest wtworzona przez fotoogniwo.

W przypadku gdy j=0 i to wzór przyjmuje postać

Natomiast przy małym stopniu wzbudzenia wzór uprości się do postaci:

2. Schemat układu pomiarowego

E

3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów

Do pomiarów użyto:

a) opornik ΔR =1 [kΩ]

b) miliamperomierz ΔI = 1 [μA]

c) podziałka do pomiaru odległości Δr = 0.005 [m]

d) miliwoltomierz ΔU = 1 [mV]

4. Tabele pomiarowe

Tabela nr 1

Ucz [V]	Uz [V]	Un [V]	r [m]		Δ
0.278	0.288	0.168	0.20	25.00	1.25
0.268	0.278	0.155	0.22	20.66	0.94
0.258	0.266	0.143	0.24	17.36	0.72
0.247	0.255	0.134	0.26	14.79	0.57
0.237	0.245	0.125	0.28	12.76	0.46
0.227	0.234	0.116	0.30	11.11	0.37
0.218	0.224	0.110	0.32	9.77	0.31
0.210	0.215	0.103	0.34	8.65	0.25
0.203	0.206	0.098	0.36	7.72	0.21
0.193	0.197	0.091	0.38	6.92	0.18
0.186	0.190	0.086	0.40	6.25	0.16

Tabela nr 2.

I [μA]	U [V]	Rabc [kΩ]	P = U * I [μW]
4.3	0.269	100	1.16
4.8	0.269	90	1.29
5.4	0.268	80	1.45
6.1	0.267	70	1.63
7.1	0.265	60	1.88
8.4	0.262	50	2.20
10.3	0.257	40	2.65
13.3	0.250	30	3.32
18.7	0.238	20	4.45
30.5	0.204	10	6.22
32.8	0.198	9	6.49
35.6	0.192	8	6.84
38.2	0.183	7	7.03
41.2	0.171	6	7.05
44.5	0.160	5	7.12
48.4	0.145	4	7.02
52.5	0.127	3	6.67
57.8	0.104	2	6.01
62.5	0.076	1	4.75
68.2	0.041	0	2.81

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej

Dla danych z tabeli nr 1 pozycja 1

P = U*I - wzór z tabeli nr 2 użyto dla pozycji 1

P = 0.269*4.3*10^-6 = 1.16 μW

6. Rachunek błędów

Błąd natężenia światła obliczono metodą różniczki logarytmicznej:

Dla danych zawartych w tabeli nr 1

Błąd maksymalny mocy fotoogniwa obliczono za pomocą różniczki logarytmicznej

P = U * I

ln P = lnU * lnI

Dane z tabel nr 1.

7. Zestawienie wyników pomiarów

Doświadczenie I

Ucz [V]	Uz [V]	Un [V]	r [m]
0.278 ± 0.001	0.288 ± 0.001	0.168 ± 0.001	0.20 ± 0.005	25.00 ± 1.25
0.268 ± 0.001	0.278 ± 0.001	0.155 ± 0.001	0.22 ± 0.005	20.66 ± 0.94
0.258 ± 0.001	0.266 ± 0.001	0.143 ± 0.001	0.24 ± 0.005	17.36 ± 0.72
0.247 ± 0.001	0.255 ± 0.001	0.134 ± 0.001	0.26 ± 0.005	14.79 ± 0.57
0.237 ± 0.001	0.245 ± 0.001	0.125 ± 0.001	0.28 ± 0.005	12.76 ± 0.46
0.227 ± 0.001	0.234 ± 0.001	0.116 ± 0.001	0.30 ± 0.005	11.11 ± 0.37
0.218 ± 0.001	0.224 ± 0.001	0.110 ± 0.001	0.32 ± 0.005	9.77 ± 0.31
0.210 ± 0.001	0.215 ± 0.001	0.103 ± 0.001	0.34 ± 0.005	8.65 ± 0.25
0.203 ± 0.001	0.206 ± 0.001	0.098 ± 0.001	0.36 ± 0.005	7.72 ± 0.21
0.193 ± 0.001	0.197 ± 0.001	0.091 ± 0.001	0.38 ± 0.005	6.92 ± 0.18
0.186 ± 0.001	0.190 ± 0.001	0.086 ± 0.001	0.40 ± 0.005	6.25 ± 0.16

Doświadczenie II

I [μA]	U [V]	P = U * I [μW]
4.3 ± 1.0	0.269 ± 0.001	1.16 ± 0.28
4.8 ± 1.0	0.269 ± 0.001	1.29 ± 0.28
5.4 ± 1.0	0.268 ± 0.001	1.45 ± 0.28
6.1 ± 1.0	0.267 ± 0.001	1.63 ± 0.28
7.1 ± 1.0	0.265 ± 0.001	1.88 ± 0.27
8.4 ± 1.0	0.262 ± 0.001	2.20 ± 0.27
10.3 ± 1.0	0.257 ± 0.001	2.65 ± 0.27
13.3 ± 1.0	0.250 ± 0.001	3.32 ± 0.26
18.7 ± 1.0	0.238 ± 0.001	4.45 ± 0.26
30.5 ± 1.0	0.204 ± 0.001	6.22 ± 0.24
32.8 ± 1.0	0.198 ± 0001	6.49 ± 0.23
35.6 ± 1.0	0.192 ± 0.001	6.84 ± 0.23
38.2 ± 1.0	0.183 ± 0.001	7.03 ± 0.22
41.2 ± 1.0	0.171 ± 0.001	7.05 ± 0.22
44.5 ± 1.0	0.160 ± 0.001	7.12 ± 0.21
48.4 ± 1.0	0.145 ± 0.001	7.02 ± 0.20
52.5 ± 1.0	0.127 ± 0.001	6.67 ± 0.18
57.8 ± 1.0	0.104 ± 0.001	6.01 ± 0.17
62.5 ± 1.0	0.076 ± 0.001	4.75 ± 0.14
68.2 ± 1.0	0.041 ± 0.001	2.81 ± 0.11

8. Uwagi i wnioski

Podczas wykonywania ćwiczenia zaobserwowano, że wraz ze zmniejszaniem się odległości r tzn. źródła światła i elementu fotoelektrycznego (fotoogniwa) wzrasta napięcie prądu samoindukcyjnego w fotoogniwie.

μA

R_W

U

+

mV

R_abc

SEM

-

---