Исследование преобразователей лучистой энергии. Лабораторная работа №1

Внешние, валентные электроны атомов полупроводника принадлежат кристаллу в целом, при этом они имеют дискретные значения энергии, объединенные в энергетические зоны. Поглощая квант света, электрон занимает более высокий энергетический уровень в кри-сталле, например, переходит из валентной зоны в зону проводимости, создавая в валент-ной зоне вакансию (дырку). В результате появляются дополнительные носители тока – электроны проводимости и дырки. Это явление называется внутренним фотоэффектом.
Внутренний фотоэффект имеет «красную границу»: энергия кванта света (фотона) должна превышать ширину запрещенной зоны EG, разделяющей валентную зону и зону проводи-мости, т.е. hν≥EG, где h – постоянная Планка, ν – частота света. В кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной λ≤1,1 мкм, т.е. для видимого, ультрафиолето-вого и ближнего инфракрасного излучений.
Рассмотрим, что происходит в СЭ при освещении. Излучение поглощается в p-области и генерирует в ней электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи p-n перехода. Элект-роны (не основные носители в р-области) перебрасываются контактным полем в n-область, заряжая ее отрицательно.
Подавляющая часть дырок не способна преодолеть потенциальный барьер и остается в p-области, заряжая её положительно. Электрическое поле контакта пространственно разде-ляет отрицательные электроны и положительные дырки образующиеся под действием све-та. Вследствие этого на переходе формируется прямое смещение U, понижающее потенци-альный барьер на величину qU, где q – заряд электрона по модулю. Перемещение электро-нов через р-n переход создает ток –Iф, называемый первичным фототоком, которому, как и току неосновных носителей, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который становится равным . Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей –IS, основных носителей и первичный фототок –IФ. Полный ток через p-n переход равен

Эта формула описывает вольтамперную характеристику (ВАХ) идеального СЭ. Из нее легко определить прямое смещение напряжения
Таким образом, при освещении р-n перехода контактная разность потенциалов в нём уменьшилась на величину U, а другие контактные разности потенциалов не изменились. В результате на клеммах СЭ появилось напряжение U, называемое фото-ЭДС, а в сопро-тивлении – ток I. Следовательно, p-n переход стал источником тока, в котором энергия света преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Так как фото-ЭДС равна понижению контактного напряжения, она не может превысить само контактное напряже-ние U (для кремния примерно 1 В).
Как во всяком другом источнике тока в СЭ должны быть сторонние силы, природа кото-рых отличается от сил электростатического поля. Под действием электростатических сил заряды перемещаются в направлении уменьшения потенциальной энергии. Для непре-рывного протекания тока по замкнутой цени необходимо, чтобы хотя бы на одном участ-ке цепи заряды перемещались в направлении от меньшей к большей потенциальной энер-гии, т.е. поднимались на потенциальный барьер. Это участок действия сторонних сил. Их физическая природа может быть различной. В гальванических элементах сторонние силы возникают в результате химических реакций на электродах, а энергия, освобождаемая в
(1.1)
(1.2)

Первичный фототок пропорционален потоку излучения (мощности излучения) Ф, падаю-щему на СЭ: Iф=α∙Ф, где α – коэффициент пропорциональности. Ток I в нагрузке зависит от Iф и сопротивления нагрузки R. При коротком замыкании СЭ, когда R=0, напряжение на сопротивлении U=IR=0, а ток, как следует из (1.1), равен Iф. Это означает, что все генери-рованные светом носители поступают во внешнюю цепь, а высота барьера в p-n переходе не изменяется. Если внешняя цепь разомкнута, то I=0. При этом напряжение, называемое напряжением холостого хода Uхх, как следует из (1.2), равно
(1.3)
Зависимость тока от напряжения, т.е. вольтамперная характеристика идеального СЭ, пока-зана на рисунке 1.2.
Каждой точке кривой соответствует определенное сопротивление нагрузки: с увеличением R напряжение растет, а ток падает. В нагрузке выделяется электрическая мощность Р=IU. Она зависит от R и при некотором его значении Rm достигает максимального значения Pm=Im∙Um, где Im и Um – ток и напряжение при максимальной мощности (максимальная мощность равна площади заштрихованного прямоугольника на рисунке 1.2). При измене-нии потока излучения ВАХ изменяются так, как показано на рисунке 1.3. С ростом Ф уве-личиваются напряжение, ток и мощность, а оптимальное сопротивление Rm – уменьшается.
Коэффициентом полезного действия СЭ называют отношение максимальной электричес-кой мощности к потоку падающего излучения:
(1.4)

I
U
Im
Um
Uxx
Iф
Рисунок 1.2 – Вольтамперная характеристика преобразователя
Рисунок 1.3 – Вольтамперная характе-ристика при различных потоках излучения
Многие процессы уменьшают КПД, отметим некоторые из них. Частично свет отражается от поверхности полупроводника, поэтому для уменьшения отражения СЭ покрывают ин-терференционным просветляющим слоем. Фотоны, энергия которых недостаточна для внутреннего фотоэффекта, не дают вклада в электрическую энергию. Некоторые пары электрон-дырка рекомбинируют и не дают вклада в фототок. Мощность теряется при про-хождении тока через объемное сопротивление полупроводника. Согласно теории, солнеч-ный элемент из кремния имеет КПД не более 20%, а практически – меньше.

Описание лабораторного оборудования
Внешний вид и электрическая схема стенда представлены на рисунках 1.4 и 1.5.
Рисунок 1.4 – Внешний вид лабораторного
стенда
Рисунок 1.5 – Электрическая схема стенда для исследова-ния преобразователя лучистой энергии

Методика проведения эксперимента:
Включить галогенную лампу накаливания (ГЛН). – Для подключения необходимого количества ламп используются переключатели SB2 и SB3.
– Установить определённую мощность излучения с помощью регулятора напряжения UПИТ.
– Изменяя нагрузку в цепи СЭ снять ВАХ (4-5 точек при неизменной мощности питания). Изменение величины нагрузочного сопротивления производится регулятором RНАГ. При проведении эксперимента необходимо нагрузку изменять во всём диапазоне (от режима холостого хода до режима короткого замыкания).
– Повторить измерения еще для двух вариантов входной мощности.
Результаты занести в таблицу 1.1.
Таблица 1.1 – Данные измерений с ГЛН (КПД 12%)
Измерения повторить для двух и трех включенных ГЛН.
Обработка результатов измерений
По результатам измерений напряжений и токов на входе (питание ламп) и выходе (в цепи СЭ) рассчитать мощность на входе и выходе системы. Результаты расчётов занести в таб-лицу 1.1. Определить поток излучения (Ф) для каждого измерения (внести в таблицу 1.1).