rok akademicki 1998/99
|
L A B O R A T O R I U M Z F I Z Y K I
|
|||
nr ćwiczenia: 47 |
Charakterystyka fotoogniwa |
|||
wydział: mechaniczny kierunek: mechanika i budowa maszyn grupa: druga |
imię i nazwisko: Cezary Jastrzębski |
|||
data wykonania ćw.: 17.12.1998 |
Ocena |
data zaliczenia |
podpis |
|
|
teoria |
|
|
|
|
sprawozdanie |
|
|
|
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: jt = 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; js - gęstość prądu w obwodzie , którego SEM jest wytworzona 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
3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów
Do pomiarów użyto:
a) opornik ΔR = 1 [kΩ]
b) miliamperomierz ΔI = 0,1 [μA]
c) podziałka do pomiaru odległości Δr = 0,005 [m]
d) miliwoltomierz ΔU = 1 [mV]
4. Tabele pomiarowe
tabela nr 1
Ucz [mV] |
Uz [mV] |
Un [mV] |
r [m] |
[] |
Δ [ ] |
220 214 205 197 191 182 176 169 165 159 153 |
215 221 204 183 180 170 168 160 155 148 130 |
100 96 88 77 72 68 64 59 57 53 50 |
0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 |
25,00 20,66 17,36 14,79 12,76 11,11 9,77 8,65 7,72 6,92 6,25 |
1,25 0,94 0,72 0,57 0,46 0,37 0,31 0,25 0,21 0,18 0,16 |
Tabela nr 2
Rabc [kΩ] |
I [μA] |
ΔI |
U [mV] |
ΔU |
P = U * I [μW] |
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 |
2,1 2,4 2,6 3,0 3,5 4,1 4,9 6,2 8,3 12,4 12,9 13,6 14,3 15,0 15,8 16,6 17,5 18,5 19,4 |
0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 |
220 218 261 215 212 208 202 192 175 135 129 122 114 105 95 83 70 55 38 |
1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 |
0,46 0,53 0,57 0,66 0,54 0,82 0,98 1,18 1,45 1,74 1,78 1,63 1,57 1,50 1,50 1,33 1,23 0,93 0,78 |
5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej
Dane z tabeli nr 1:
Dane z tabeli nr 2:
6. Rachunek błędów
Obliczenie Δ tj. ΔE, (dane z tabeli nr 1)
Błąd maksymalny mocy fotoogniwa obliczono za pomocą różniczki logarytmicznej
Dane z tabeli nr 2:
7. Zestawienie wyników pomiarów
dla doświadczenia pierwszego
Ucz [V] |
Uz [V] |
Un [V] |
r [m] |
[] |
220,0 ± 1,0 214,0 ± 1,0 205,0 ± 1,0 197,0 ± 1,0 191,0 ± 1,0 182,0 ± 1,0 176,0 ± 1,0 169,0 ± 1,0 165,0 ± 1,0 159,0 ± 1,0 153,0 ± 1,0 |
215,0 ± 1,0 221,0 ± 1,0 204,0 ± 1,0 183,0 ± 1,0 180,0 ± 1,0 170,0 ± 1,0 168,0 ± 1,0 160,0 ± 1,0 155,0 ± 1,0 148,0 ± 1,0 130,0 ± 1,0 |
100,0 ± 1,0 96,0 ± 1,0 88,0 ± 1,0 77,0 ± 1,0 72,0 ± 1,0 68,0 ± 1,0 64,0 ± 1,0 59,0 ± 1,0 57,0 ± 1,0 53,0 ± 1,0 50,0 ± 1,0 |
0,20 ± 0.005 0,22 ± 0.005 0,24 ± 0.005 0,26 ± 0.005 0,28 ± 0.005 0,30 ± 0.005 0,32 ± 0.005 0,34 ± 0.005 0,36 ± 0.005 0,38 ± 0.005 0,40 ± 0.005 |
25,00 ± 1,25 20,66 ± 0,94 17,36 ± 0,72 14,79 ± 0,57 12,76 ± 0,46 11,11 ± 0,37 9,77 ± 0,31 8,65 ± 0,25 7,72 ± 0,21 6,92 ± 0,18 6,25 ± 0,16 |
dla doświadczenia drugiego
I [μA] |
U [mV] |
P = U * I [μW] |
2,1 ± 1,0 2,4 ± 1,0 2,6 ± 1,0 3,0 ± 1,0 3,5 ± 1,0 4,1 ± 1,0 4,9 ± 1,0 6,2 ± 1,0 8,3 ± 1,0 12,4 ± 1,0 12,9 ± 1,0 13,6 ± 1,0 14,3 ± 1,0 15,0 ± 1,0 15,8 ± 1,0 16,6 ± 1,0 17,5 ± 1,0 18,5 ± 1,0 19,4 ± 1,0 |
220,0 ± 1,0 218,0 ± 1,0 261,0 ± 1,0 215,0 ± 1,0 212,0 ± 1,0 208,0 ± 1,0 202,0 ± 1,0 192,0 ± 1,0 175,0 ± 1,0 135,0 ± 1,0 129,0 ± 1,0 122,0 ± 1,0 114,0 ± 1,0 105,0 ± 1,0 95,0 ± 1,0 83,0 ± 1,0 70,0 ± 1,0 55,0 ± 1,0 38,0 ± 1,0 |
0,46 ± 0,02 0,53 ± 0,03 0,57 ± 0,02 0,66 ± 0,03 0,54 ± 0,03 0,82 ± 0,02 0,98 ± 0,03 1,18 ± 0,03 1,45 ± 0,04 1,74 ± 0,05 1,78 ± 0,05 1,63 ± 0,03 1,57 ± 0,05 1,50 ± 0,04 1,50 ± 0,05 1,33 ± 0,04 1,23 ± 0,05 0,93 ± 0,04 0,78 ± 0,04 |
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 samo indukcyjnego w fotoogniwie. Każde dodatkowe oświetlenie padające na fotoogniwo miało wpływ na wartość napięcia.
7