Фотоэффектом называется освобождение электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света.

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества, то фотоэффект называется внешним. Если же электроны теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов», увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фотоэффект называется внутренним.

Внешний фотоэффект наблюдается у металлов, внутренний – у полупроводников и в меньшей мере у диэлектриков. Приборы, действие которых основано на явлении фотоэффекта, называются фотоэлементами.

В настоящее время фотоэлементы широко применяют в качестве генераторов тока, преобразующих солнечную энергию в электрическую. Такую разновидность фотоэлементов называют солнечными элементами. Соединяя эти элементы последовательно или параллельно, получают солнечные батареи, которые используются в качестве источников тока на космических станциях, в промышленности, сельском хозяйстве и в быту для питания радиоаппаратуры и микрокалькуляторов. Мощность излучения солнца, достигающего Земли, составляет около 2·10¹⁷ Вт, что более чем в 30 тысяч раз превышает сегодняшний уровень энергопотребления человечества. При КПД = 10% для кремниевых солнечных элементов с 1 м² площади в южных районах страны можно получать мощность в 100 Вт. Теоретически КПД солнечного элемента может достигать 93%. Второе преимущество солнечных батарей – это особо чистый источник энергии, т.е. при его работе не происходит газового загрязнения атмосферы.

Солнечные элементы из неорганических полупроводников (например, кремний и арсенид галлия) имеют большой КПД, но высокую стоимость и сложную технологию изготовления. Элементы из органических соединений отличаются низкой стоимостью и при применении конкурируют с неорганическими. В настоящей работе исследуется батарея на органических полупроводниках.

На рис.1 показана принципиальная схема полупроводникового фотоэлемента. На поверхность р- полупроводника наносится тонкий слой, обладающий n-проводимостью. В цепь фотоэлемента включены гальванометр G и сопротивление R. Рассмотрим физические процессы, приводящие к образованию фотоЭДС. В n-области велика концентрация электронов, а в p- области дырок (это основные носители заряда для данных областей). Вследствие разной концентрации электронов и дырок по обе стороны от границы раздела полупроводников, часть электронов из приграничной области полупроводника n-типа диффундирует в p-область, а часть дырок из полупроводника p-типа диффундирует в n-область. Эти электроны и дырки встречаются и рекомбинируют. Таким образом, в приграничной области раздела двух полупроводников исчезают основные носители заряда. В результате этого на границе раздела двух полупроводников со стороны n-области остаётся нескомпенсированный электронами пространственный положительный заряд неподвижных ионов доноров. В свою очередь со стороны p-области остаётся нескомпенсированный дырками пространственный отрицательный заряд неподвижных ионов акцепторов.

Под действием электромагнитного излучения (света) в полупроводниках образуются новые пары носителей – фотоэлектроны и фотодырки. Под действием электрического поля запирающего слоя происходит их разделение: электроны двигаются против направления поля к электроду, нанесённому на полупроводник n-типа, а дырки – по полю, к электроду р-области. Между электродами возникает разность потенциалов Е _ф, которую называют фотоэлектродвижущей силой (фотоЭДС). Чем больше световой поток Ф, падающий на фотоэлемент, тем больше освещённость Е фотоэлемента и тем большая фотоЭДС возникает на зажимах фотоэлемента (рис.2). График имеет область насыщения. Замыкание освещаемого элемента на внешнюю нагрузку приводит к появлению в цепи тока I_ф, величина которого для данного фотоэлемента зависит от сопротивления цепи R и величины светового потока Ф или освещённости Е (рис.3).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение зависимости фототока короткого замыкания и напряжения холостого хода от освещённости.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ

Зависимости снимаются на лабораторной установке, состоящей из фотобатареи, вольтметра, осветителя, микроамперметра и набора фильтров. Освещённость фотоэлемента от лампочки без фильтра принимается за 100%. На расстоянии 10 см от лампочки она равна 9*10³ Лк. При установке фильтра перед солнечным элементом освещённость уменьшается. Значение освещённости при различных фильтрах можно рассчитать, зная процент пропускания фильтра. При выполнении работы производят измерения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода последовательно с четырьмя фильтрами. Результаты измерений представляют в виде графиков.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ОБОРУДОВАНИЕ: солнечная батарея из органических полупроводников, микроамперметр, милливольтметр, линейка, набор фильтров.

ХОД РАБОТЫ:

1. Знакомятся с установкой.

2. Определяют цену деления микроамперметра и милливольтметра.

3. Устанавливают фотобатарею на расстоянии 20 см от осветителя.

4. Включают установку в сеть.

5. Правый тумблер устанавливают в положение I_к.з.

6. Включают тумблер «Осветитель», при этом загорится лампа накаливания. Записывают величину тока короткого замыкания (показания микроамперметра).

7. Правый тумблер переключают в положение U_х.х. и записывают величину напряжения холостого хода (показания милливольтметра).

8. Выключают осветитель. Правый тумблер устанавливают в положение I_к.з..

ВНИМАНИЕ! Лампу включать только при измерении.

Это будет первое измерение без фильтра.

Освещённость дана в таблице.

9. Перед солнечным элементом последовательно ставят фильтры № 1, 2, 3 и 4 и производят измерения тока короткого замыкания I_к.з. и напряжения холостого хода U_х.х., повторив пункты 6, 7, 8. Данные заносят в таблицу.

Таблица

10. Отключают установку от сети.

11. Строят графики зависимости I_к.з. от Е и U_х.х. от Е.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Какое явление называется фотоэффектом? Виды фотоэффекта?

2. Объясните принцип работы солнечного элемента.

3. Как зависят фототок и фотоЭДС от освещённости фотоэлемента?

4. Как зависит сопротивление полупроводника от освещённости?

5. Где используются солнечные элементы?

ЛИТЕРАТУРА

1. Грабовский Р.И. Курс физики. – СПб.: «Лань», 2009.

СОДЕРЖАНИЕ

Измерение физических величин и классификация погрешностей…………………………………………………………………..3

Организация работы студента в физической лаборатории……..11

Раздел 1: Механика

1. Определение коэффициента трения скольжения с помощью трибометра………………………………………………………13

2. Определение момента инерции махового колеса и силы трения в опоре………………………………………………………18

3. Изучение свободных колебаний пружинного маятника……..24

Раздел 2: Молекулярная физика и термодинамика

4. Отношение молярных теплоёмкостей газа методом Клемана-Дезорма………………………………………………………….33

5. Определение коэффициента поверхностного натяжения жидкости методом отрыва кольца.......…………………………….40

6. Определение коэффициента вязкости жидкости методом Стокса………………………………………………………………..47 Раздел 3: Электричество

7. Применение законов Ома и Кирхгофа для расчета электрических цепей……………………………………………………….52

8. Изучение зависимости сопротивления металлов и полупроводников от температуры……………………………………...62

9. Градуировка термопары и определение её удельной термоЭДС……………………………………………………………...68

Раздел 4: Оптика

10. Определение концентрации сахара в водном растворе при помощи поляриметра……………………………………...75

11. Изучение работы солнечной батареи из органических полупроводников…………………………………………………86