Fiz312
.docСанкт-Петербуржский Государственный Университет Путей Сообщения.
Кафедра физики. Лаборатория оптики и физики атома.
Лабораторная работа №312
Определение электродвижущей силы фотоэлемента с запирающим слоем.
Выполнил студент Микишенко Е.А.
группы АТ-001 электротехнического
факультета.
Проверил:
Санкт-Петербург
2001г
Цель работы - измерение фото-э.д.с. и фототока, возникающих в селеновом фотоэлементе под действием света. Изменяя освещён-ность Е поверхности фотоэлемента, т.е. мощность светового по-
тока на единиц у площади поверхности, исследуют зависимость Еф
и Iф от освещённости Е и строят графики этих зависимостей. При
относительно небольших освещённостях фото-э.д.с. и фототок пропорциональны Е.
В нашей лаборатории исследуется селеновый вентильный фото-
элемент. Устройство, принцип действия и схема включения фото-
элемента поясняются на рис.1.
Электродами фотоэлемента служат желез о и золото. Железный
электрод А изготовляется в виде подложки толщиной около 1мм. Золото напыляется на селен в виде тонкого полупрозрачного слоя К, пропускающего свет и обеспечивающего удовлетворительную элек-
тропроводность. Слой селена подвергается сложной термической обработке с целью создания в его толще р-п перехода. Внутри селена
образуется запирающий слой, обладающий способностью пропускать
электроны только в одном направлении, а именно, указанном на чер-
теже стрелкой.
При освещении золотой плёнки свет проходит через этот полупро-
зрачный электрод и попадает на селен. Если энергия фотона доста-
точна для образования в полупроводнике пары электрон-дырка, то при поглощении потока фотонов в районе р-п перехода будет наблю-
даться рождение достаточно большого числа пар электрон-дырка. Вследствие вентильной проводимости р –п перехода электроны пере-
ходят в п-полупроводник, заряжая его отрицательно, дырки – в полу-
проводник, заряжая его положительно. В результате между элект-
родами А и К возникает разность потенциалов, которую называют фото-э.д.с. Направленная диффузия неосновных носителей тока пре-
кратится, когда фото-э.д.с. сконпенсирует контактную разность потенциалов Yk.
Если цепь замкнута, то фото-э.д.с. вызовет ток, регистрируемый
гальванометром. Фототок будет продолжаться до тех пор, пока ос-
вещается фотоэлемент. Таким образом, в вентильном фотоэлемен-
те световая энергия преобразуется в электрическую.
К.п.д. селенового элемента не велик (2-3%). Значительно больший к.п.д. имеют кремнивые и германиевые фотоэлементы. Это позволя-
ет изготовлять солнечные батареи.
Описание установки и порядок
Выполнения работы.
Задачей настоящей работы является измерение фото-эдс и фот-отока, возникающих в селеновом фотоэлементе под действием све-та. Изменяя освещённость Е поверхности фотоэлемента, т.е. мощ-ность светового потока на единицу площади поверхности, исследу-ют зависимость фото-эдс и фототока от освещённости Е и стро-ят графики этих зависимостей. При относительно небольших осве-щённостях фото-эдс и фототок пропорциональны Е.
Исследование проводится на следующей установке: вдоль направ-ляющих могут перемещаться укреплённые на штативах маловоль-товая лампочка и фотоэлемент. При изменении расстояния r меж-ду лампочкой и фотоэлементом изменяется Е. Во избежания попа-дания на фотоэлемент постороннего света направляющие заключе-ны в футляр, имеющий открытую переднюю стенку, кот. называе-тся шторой. Светочувствительная поверхность фотоэлемента за-крыта специальной крышкой, снимаемой перед началом работы. Ла-мпочка питается от городской сети через понижающее напряже-ние устройство. Для определения фото-эдс и фототока использует-ся электрическая цепь, изображённая на рис.
Электр. цепь элемента содержит последовательно включённые миллиамперметр, магазин сопротивлений М, ключ и эталонное соп-ротивление R.. К сопротивлению R при помощи другого ключа через гальванометр g может быть подключён фотоэлемент F. Подклю-чение фотоэлемента производится таким образом чтобы эдс, воз-никающая в фотоэлементе при его освещении, и падении напряже-ния на сопротивлении R, вызываемое источником тока, имели встр. направления.
При замкнутом ключе К-2 подбором соответствующего сопроти-вления можно добиться того, чтобы стрелка гальванометра g не откланялась при замкнутом ключе К-1 и освещённом фотоэлемен-те. В этом случае падение напряжения на сопротивлении R конпен-сирует фото-эдс и равняется е й по величине:
ЕФ=iR (1)
Перед началом работы вводят в магазине сопротивлений сопро-тивление 200 Ом, т.к. иначе стрелка миллиамперметра при включе-нии цепи отклоняется за пределы шкалы.
Открыв штору, закрывающую фотоэлемент от постороннего света, на расстоянии r=50см от фотоэлемента, устанавливают лампочку. Закрыв штору, включают лампочку и, замыкая ключ К-1 в цепи фотоэлемента, при помощи гальванометра измеряют фото-ток (ключ К-2 при этом разомкнут). После этого ключом К-2 замы-кают цепь. Держа К-1 замкнутым, подбирают сопротивление, при котором гальванометр зафиксирует отсутствие тока в цепи фо-тоэлемента. Измеряют по миллиамперу ток i в цепи, при котором добились компенсации. Зная i и R, по формуле (1) рассчитывают фо-то-эдс.
Увеличивая освещённость фотоэлемента путём приближения к нему лампочки, повторяют опыт при различных расстояниях между лампочкой и фотоэлементом. По формуле (1) рассчитывают фото-эдс. Лампочку удобно смещать по шкале по 5 см. Результаты изме-рений и расчётов заносят в таблицу.
Освещённость Е поверхности фотоэлемента при расстоянии r не меньше 30 см, и нормальном падении лучей можно рассчитать по формуле освещённости.
Е=I/r^2, (2)
Где I-сила света.
В нашей установке I=21 международной свече при напряжении на лампе 6 В. Вычисленная по формуле (2) освещённость при r в см выражается в фотах. Фот-освещённость, создаваемая источником света в 1 свечу на расстоянии 1 см. Для удобства построения графиков и более наглядной оценки её следует выразить в люксах: 1 фот=10^4 люкс.
Таблица
№ |
r |
Освещ.Е |
фототок |
Ток в цепи |
Фото-эдс |
|||
фоты |
люксы |
Дел. |
mA |
Дел. |
mA |
|||
1 |
50 |
0.0084 |
84 |
6 |
0.021 |
53 |
21.2 |
212 |
2 |
45 |
0.0103 |
103 |
7 |
0.025 |
54 |
21.6 |
216 |
3 |
40 |
0.0131 |
131 |
9 |
0.032 |
56 |
22.4 |
224 |
4 |
35 |
0.0171 |
171 |
11 |
0.039 |
58.5 |
23.4 |
234 |
5 |
30 |
0.0233 |
233 |
14 |
0.049 |
61 |
24.4 |
244 |