skanuj0124

Ćwiczenie 22

Zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych

I. Wprowadzenie

Fotoogniwo jest elementem, w którym wykorzystuje się zjawisko fotoelek-nv<v.ne zaporowe (fotowoltaiczne). Zjawisko to polega na powstawaniu siły rlcktromotorycznej na styku dwu półprzewodników o różnym typie przewod-nu lwa (n i p) lub półprzewodnika i metalu (jeśli praca wyjścia elektronów z mnlalu jest większa od pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu częstości optycznymi. Wartość powstającej siły elektromotorycznej zależy od rodzaju materiału n/,yiego do konstrukcji fotoogniwa oraz natężenia oświetlenia jego powierzchni Największe znaczenie praktyczne mają obecnie fotoogniwa ze złączem /■ ii (zobacz ćwicz. 19 p. 1.1).

¹    Stępień,

Typowe fotoogniwo ze złączem p-n składa się z elektrody bazowej wy-I" inanej z metalu, na której znajduje się warstwa półprzewodnika. Warstwa ta I ml, i yia jest półprzeźroczystą dla światła cienką powłoką złota lub platyny sta-omvi;|c;| drugą elektrodę. Między elektrodami oświetlonego fotoogniwa wytwarza się różnica potencjałów, która powoduje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym (rys.l). Wartość tego prądu (zwanego prądem fotoelektrycznym lub fotoprądem) jest, w przypadku małego oporu w obwodzie zewnętrznym, w szerokim zakresie oświetleń liniową funkcją natężenia oświetlenia E. Ta własność ułatwia zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycz-

nych 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 fotoelek-tryczne prowadzi do pojawienia się na złączu stałej różnicy potencjałów (w fotoogniwie), to w przypadku wstępnego spolaryzowania złącza w kierunku zaporowym, zjawisko fotoelektryczne spowoduje zmianę oporu złącza, jak to ma miejsce w fotodiodach.

Celem niniejszego ćwiczenia jest:

a)    zbadanie charakterystyki oświetleniowej fotoogniwa,

b)    wyznaczenie współczynnika absorpcji dla szkła.

1.1. 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 = d<Z>/dS, gdzie d(P jest strumieniem świetlnym padającym na element powierzchni dS¹ (zobacz Uzupełnienie). Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest 1 lux.

Gdy rozmiary źródła światła są małe w porównaniu z jego odległością r od oświetlanej powierzchni (tj. w przypadku punktowego źródła światła), natężenie oświetlenia znajduje się z wzoru:

E--~cosa,    (1)

gdzie: I to światłość źródła, a - kąt pomiędzy normalną do oświetlonej powierzchni i kierunkiem rozchodzenia się światła.

Wykorzystując charakterystykę oświetleniową można obliczyć czułość oświetleniową fotoogniwa: