Rok akademicki 1995/96	Laboratorium z fizyki
Nr ćwiczenia: 47	Charakterystyka fotoogniwa
Wydział: Elektronika Kierunek: El. i telek. Grupa:	Gaszak Radosław
Data wykonania	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 = 0,1 [μA]

c) podziałka do pomiaru odległości Δr = 0.05 [m]

d) miliwoltomierz ΔU = 1 [mV]

4. Tabele pomiarowe

Tabela nr 1

Ucz [mV]	Uz [mV]	Un [mV]	r [m]	[]	Δ [ ]
257	260	154	0.20	25.00	1.25
249	252	142	0.22	20.66	0.94
240	242	131	0.24	17.36	0.72
232	232	122	0.26	14.79	0.57
224	224	114	0.28	12.76	0.46
216	215	107	0.30	11.11	0.37
209	207	100	0.32	9.77	0.31
202	200	94	0.34	8.65	0.25
195	191	88	0.36	7.72	0.21
189	184	83	0.38	6.92	0.18
183	177	78	0.40	6.25	0.16

Tabela nr 2.

I [μA]	U [mV]	Rabc [kΩ]	P = U * I [μW]
2,5	253	100	0,633
2,7	251	90	0,678
3,1	250	80	0,775
3,5	249	70	0,872
4,0	248	60	0,992
4,7	244	50	1,147
7,4	234	40	1,731
10,5	221	30	2,321
17,5	189	20	3,307
17,9	185	10	3,312
18,2	183	9	3,331
19,5	176	8	3,432
21	168	7	3,528
22,6	159	6	3,593
24,4	147	5	3,586
26,5	133	4	3,524
28,7	116	3	3,329
31,2	94	2	2,932
34	68	1	2,312
36,9	37	0	1,365

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarów wielkości złożonej

Dane z tabeli nr 1 wiersz 1;

Dane z tabeli nr 2 wiersz 1;

6. Rachunek błędów

Błąd maksymalny mocy fotoogniwa obliczono za pomocą różniczki logarytmicznej

Dane z tabeli nr 2 wiersz 1;

7.Wykresy;

Wykres zależności U_cz = f(1/r²)

Wykres zależności U_z = f(1/r²)

Wykres zależności U_n = f(1/r²)

Wykres zależności P = f (R_abc)

7. Zestawienie wyników pomiarów

Doświadczenie I

Ucz [V]	Uz [V]	Un [V]	r [m]	[]
257 ± 1	260 ± 1	154 ± 1	0.20 ± 0.05	25.00 ± 1.25
249 ± 1	252 ± 1	142 ± 1	0.22 ± 0.05	20.66 ± 0.94
240 ± 1	242 ± 1	131 ± 1	0.24 ± 0.05	17.36 ± 0.72
232 ± 1	232 ± 1	122 ± 1	0.26 ± 0.05	14.79 ± 0.57
224 ± 1	224 ± 1	114 ± 1	0.28 ± 0.05	12.76 ± 0.46
216 ± 1	215 ± 1	107 ± 1	0.30 ± 0.05	11.11 ± 0.37
209 ± 1	207 ± 1	100 ± 1	0.32 ± 0.05	9.77 ± 0.31
202 ± 1	200 ± 1	94 ± 1	0.34 ± 0.05	8.65 ± 0.25
195 ± 1	191 ± 1	88 ± 1	0.36 ± 0.05	7.72 ± 0.21
189 ± 1	184 ± 1	83 ± 1	0.38 ± 0.05	6.92 ± 0.18
183 ± 1	177 ± 1	78 ± 1	0.40 ± 0.05	6.25 ± 0.16

Doświadczenie II

I [μA]	U [V]	P = U * I [μW]
2,5 ± 0,1	253 ± 1	0,633 ± 0,025
2,7 ± 0,1	251 ± 1	0,678 ± 0,026
3,1 ± 0,1	250 ± 1	0,775 ± 0,024
3,5 ± 0,1	249 ± 1	0,872 ± 0,028
4,0 ± 0,1	248 ± 1	0,992 ± 0,048
4,7 ± 0,1	244 ± 1	1,147 ± 0,034
7,4 ± 0,1	234 ± 1	1,731 ± 0,089
10,5 ± 0,1	221 ± 1	2,321 ± 0,064
17,5 ± 0,1	189 ± 1	3,307 ± 0,078
17,9 ± 0,1	185 ± 1	3,312 ± 0,026
18,2 ± 0,1	183 ± 1	3,331 ± 0,048
19,5 ± 0,1	176 ± 1	3,432 ± 0,063
21 ± 0,1	168 ± 1	3,528 ± 0,029
22,6 ± 0,1	159 ± 1	3,593 ± 0,031
24,4 ± 0,1	147 ± 1	3,586 ± 0,034
26,5 ± 0,1	133 ± 1	3,524 ± 0,028
28,7 ± 0,1	116 ± 1	3,329 ± 0,024
31,2 ± 0,1	94 ± 1	2,932 ± 0,036
34 ± 0,1	68 ± 1	2,312 ± 0,087
36,9 ± 0,1	37 ± 1	1,365 ± 0,056
I [μA]	U [V]	P = U * I [μW]

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.

1

μA

R_W

U

+

mV

R_abc

SEM

-

---