r. akad. 1997/98	L A B O R A T O R I U M Z F I Z Y K I
nr ćwicz. 47	Charakterystyka fotoogniwa
wydział: elektroniczny kierunek: elektronika i telekomunikacja grupa: I	imię i nazwisko: Krzysztof Granda Krzysztof Górski
data wykonania:	ocena		data zaliczenia	podpis
20.10.1997	teoria
		sprawozdanie

1.Wstęp

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 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.

Rw - oporność wewnętrzna fotoogniwa,

mV - miliwoltomierz o dużej oporności wewnętrznej,

robc - opornica dekadowa,

U - napięcie wyjściowe fotoogniwa,

μA - mikroamperomierz

3. Ocena dokładności pojedynczych pomiarów

Do pomiarów użyto:

a) miliamperomierz ΔI = 1 [μA]

b) podziałka do pomiaru odległości Δr = 5 [mm]

c) miliwoltomierz ΔU = 6 [mV]

4. Tabele pomiarowe

TABELA NR 1

Pomiary zależności napięcia U ogniwa od odległości r źródła światła. Pomiary wykonano dla filtrów: czerwonego, zielonego i niebieskiego.

Lp.	Ucz [mV]	Uz [mV]	Un [mV]	r [m]	[ ]	Δ []
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.	324 314 303 293 282 273 263 255 246 238 228	336 324 315 302 292 281 270 260 256 222 210	226 211 193 181 169 159 148 141 133 127 118	0,20 0,22 0,24 0,26 0,28 0,30 0,20 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 6,93 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

Pomiary zależności napięcia wyjściowego fotoogniwa od prądu obciążenia

Lp.	Robc [kΩ]	I [μA]	ΔI [μA]	U [V]	ΔU [V]	P [μW]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.	100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1	3,2 3,5 4,0 4,5 5,3 6,3 7,8 10,1 14,6 25,7 27,8 30,2 33,1 36,6 40,8 45,8 52,1 59,9 68,8	1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1	0,323 0,323 0,322 0,322 0,321 0,319 0,316 0,312 0,303 0,280 0,275 0,269 0,262 0,253 0,241 0,226 0,206 0,178 0,136	0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006	1,034 1,131 1,288 1,449 1,701 2,010 2,465 3,151 4,424 7,196 7,645 8,124 8,672 9,260 9,833 10,351 10,733 10,662 9,357

5. Przykładowe obliczenia wyników pomiarowych

Dla danych z tabeli nr 1 pozycja 1

Dla danych z tabeli nr 2 pozycja 1

6. Rachunek błędów

Obliczenie błędu natężenia światła metodą różniczki logarytmicznej:

Dla danych zawartych w tabeli nr 1 pozycja 1:

Obliczenie błędu maksymalnego mocy fotoogniwa za pomocą różniczki logarytmicznej :

Dane z tabeli nr 2 pozycja 1:

7. Zestawienie wyników pomiarowych

Doświadczenie I

Lp.	Ucz [mV]	Uz [mV]	Un [mV]	r [m]	[ ]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.	324 ± 6 314 ± 6 303 ± 6 293 ± 6 282 ± 6 273 ± 6 263 ± 6 255 ± 6 246 ± 6 238 ± 6 228 ± 6	336 ± 6 324 ± 6 315 ± 6 302 ± 6 292 ± 6 281 ± 6 270 ± 6 260 ± 6 256 ± 6 222 ± 6 210 ± 6	226 ± 6 211 ± 6 193 ± 6 181 ± 6 169 ± 6 159 ± 6 148 ± 6 141 ± 6 133 ± 6 127 ± 6 118 ± 6	0,20 ± 0,005 0,22 ± 0,005 0,24 ± 0,005 0,26 ± 0,005 0,28 ± 0,005 0,30 ± 0,005 0,20 ± 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 6,93 ± 0,18 6,25 ± 0,16

Doświadczenie II

Lp	I [μA]	U [mV]	P [μW]
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.	3,2 ± 1,0 3,5 ± 1,0 4,0 ± 1,0 4,5 ± 1,0 5,3 ± 1,0 6,3 ± 1,0 7,8 ± 1,0 10,1 ± 1,0 14,6 ± 1,0 25,7 ± 1,0 27,8 ± 1,0 30,2 ± 1,0 33,1 ± 1,0 36,6 ± 1,0 40,8 ± 1,0 45,8 ± 1,0 52,1 ± 1,0 59,9 ± 1,0 68,8 ± 1,0	323 ± 6 323 ± 6 322 ± 6 322 ± 6 321 ± 6 319 ± 6 316 ± 6 312 ± 6 303 ± 6 280 ± 6 275 ± 6 269 ± 6 262 ± 6 253 ± 6 241 ± 6 226 ± 6 206 ± 6 178 ± 6 136 ± 6	1,034 ± 0,343 1,131 ± 0,344 1,288 ± 0,346 1,449 ± 0,349 1,701 ± 0,353 2,010 ± 0,357 2,465 ± 0,363 3,151 ± 0,373 4,424 ± 0,391 7,196 ± 0,434 7,645 ± 0,442 8,124 ± 0,450 8,672 ± 0,461 9,260 ± 0,473 9,833 ± 0,486 10,351 ± 0,501 10,733 ± 0,519 10,662 ± 0,537 9,357 ± 0,549

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. Prąd fotoelektryczny rośnie ze wzrostem U tylko do pewnej wartości granicznej I, zwanej fotoprądem nasycenia.

W zależności od rodzaju filtru zmienia się wartość napięcia. Wynika to

z tego, że napięcie zależy od częstotliwości światła działającego na fotoogniwo.

---