Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Сумський державний університет

Конотопський інститут

Кафедра електронних

приладів і автоматики

Методичні вказівки

до виконання лабораторних робіт

з дисципліни:

“ Оптоелектроніка ”

для студентів усіх форм навчання за напрямком

0908 –Електроніка

СХВАЛЕНО:

на засіданні кафедри

електронних приладів

та автоматики КІСумДУ

Протокол №__ __.__.____

Конотоп, 2013

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни „Оптоелектроніка” для студентів усіх форм навчання за напрямком 0908 –Електроніка / Укладачі О.С.Грищук, О.І.Лєпіхов, Т.М. Гричановська.

Кафедра електронних приладів і автоматики

ВСТУП

Метою лабораторного практикуму є поглиблення й розширення набутих знань про фізичні процеси, які відбуваються в оптоелектронних приладах. Роботи виконуються з використанням промислово виготовлених приладів, досліджуваних у курсі “Оптоелектроніка”, а також лабораторних макетів. Зміст практикуму спрямований на те, щоб дати можливість студенту, у ході виконання завдання, спираючись на теоретичні знання, зробити попередню оцінку властивостей досліджуваних пристроїв, провести цикл вимірів необхідних характеристик пристроїв або імітаційних моделей, здійснити обробку отриманих даних з метою визначення параметрів пристроїв. У ході виконання лабораторних робіт здобуваються навички оцінки отриманих даних і їхньої вірогідності, самостійної роботи з вимірювальними приладами, обробки та оформлення результатів науково-дослідної роботи, практичного використання досліджуваних приладів.

Лабораторні роботи мають виконуватися з розумінням фізичних процесів та знанням основних співвідношень і закономірностей. Тому перед проведенням роботи здійснюється перевірка теоретичних знань студентів, схем вимірювання у вигляді експрес–контролю. Студент, який отримав оцінку “незадовільно”, до виконання роботи не може бути допущеним.

Усі розраховані та довідкові дані, результати вимірів, оцінки та висновки заносять у робочий журнал. Результати вимірів зводять у таблиці, графіки залежностей будують у зручних масштабах з обов’язковим зазначенням розмірностей на осях.

Звіт про виконану роботу оформлюється самостійно відповідно до загальних вимог, викладених у вказівках до лабораторних робіт, ДСТУ 3008 – 95[1] та ЕСКД. У заключну частину звіту обов’язково вміщують стислі висновки, де зазначають особливості отриманих залежностей, причини розбіжностей отриманих і розрахованих характеристик, ступінь вірогідності отриманих даних, розмір похибок тощо.

Лабораторна робота №1

Пряме перетворення сонячної енергії в електричну. Дослідження фотоелектричного перетворювача енергії – сонячної батареї

Мета роботи: Ознайомитись із процесом перетворення світлової енергії в електричну та визначити основні характеристики холостого ходу сонячного модуля при зміні кута падіння світлового потоку на нього та відстані до джерела світла. ККД перетворювача на прикладі сонячної батареї.

Елементи теорії. Типова конструкція сонячного елемента (СЕ) показано на рис. 1. На напівпровідникову пластину із провідністю n-типу нанесено тонкий шар напівпровідника p – типу. На границі двох напівпровідників створюється p-n-перехід. Світло падає із сторони p – шару. Для включення СЕ в ланцюг є металеві контакти: суцільний із сторони n-шару та по периметру із освітлюваної сторони. Нагадаємо, що відбувається в p-n-переході за відсутності світла та зовнішнього джерела напруги. В області p-n переходу створюється подвійний електричний шар із позитивних та негативних іонів додаткових атомів, в результаті між p та n областями створюється контактна різниця потенціалів близька до 1В в переході із кремнію. При цьому через перехід протікає два невеликих рівних по величині та протилежних за напрямком струма: неосновних носіїв–I_S та основних носіїв +I_S. В результаті сумарний струм через перехід рівний нулю. Якщо до p – n переходу підключити резистор, струм в ньому буде відсутній. Хоча в контурі є різниця потенціалів U_K між p- і n - областями, напруга на резисторі все ж дорівнює нулю так як його компенсують контактні різниці потенціалів між напівпровідниками та металічними контактами. Таким чином, при відсутності світла та при однаковій температурі всіх ділянок замкненого ланцюга електричний струм відсутній у відповідності до закону збереження енергії.

Рис.1.1. Типова конструкція сонячного елемента.

Зовнішні валентні електрони атомів напівпровідника належать кристалу в цілому, при цьому вони мають дискретні значення енергії, об'єднані в енергетичні зони. Поглинаючи квант світла, електрон займає більш високий енергетичний рівень в кристалі, наприклад, переходить із валентної зони в зону провідності, створюючи у валентній зоні вакансію (дірку). В результаті з’являються додаткові носії струму – електрони провідності та дірки. Це явище називається внутрішнім фотоефектом. Внутрішній фотоефект має «червону межу»: енергія кванту світла (фотона) повинна перевищувати ширину забороненої зони Eg ,що розділяє валентну зону та зону провідності, тобто hν≥Eg , де h - стала Планка, ν - частота світла. У кремнія внутрішній фотоефект має місце для хвиль довжиною λ≤ 1,1 мкм, тобто для видимого, УФ та ближнього інфракрасного випромінювання.

Розглянемо що відбувається в СЕ при освітленні. Випромінювання поглинається в p -області та генерує в ній електронно-діркові пари, що створюються поблизу р-n-перехода. Електрони (не основні носії в р -області) перекидаються контактним полем в n -область, заряджаючи її від’ємно. Більша частина дірок не може подолати потенційний бар’єр та залишається в p - області, заряджаючи її позитивно. Електричне поле контакту просторово розділяє від’ємні електрони та позитивні дірки, що створюються під дією світла. Внаслідок цього на переході формується пряме зміщення U , що понижує потенційний бар’єр на величину qU, де q - заряд електрона по модулю. Переміщення електронів через p-n-переход створює струм -I_Ф , що називається первинним фотострум, якому, як і струму не основних носіїв, додають від’ємний знак. Зменшення бар’єру веде до зростання струму основних носіїв, який стає рівним Isexp(qU/(kT)). Таким чином, через перехід протікають наступні струми: не основних носіїв -I_S, основних носіїв +I_Sexp(qU/(kT)) та первинний фотострум –I_ф . Повний струм через p- n- переход дорівнює

(1)

Ця формула описує ВАХ ідеального СЕ. Із неї легко визначити пряме зміщення.

(2)

Таким чином, при освітленні p-n-переходу контактна різниця потенціалів в ньому зменшилася на величину U, а інші – не змінилися. В результаті на клемах СЕ з’явилася напруга U , що називається фото-ЕРС, в опорі струм I . Виходить, p-n -переход став джерелом струму, в якому енергія світла перетворюється безпосередньо в електричну енергію. Так як фото-ЕРС дорівнює пониженню контактної напруги, вона не може перебільшити саму контактну напругу.

Як в будь-якому іншому джерелі струму в СЕ мають бути сторонні сили, природа яких відрізняється від сил електростатичного поля. Під дією електростатичних сил заряди рухаються в направленні зменшення потенційної енергії. Для неперервного протікання струму по замкненому контуру необхідно, щоб хоча б на одній ділянці контуру заряди рухались в направленні від меншої до більшої потенційної енергії, тобто піднімались на потенційний бар’єр. Це ділянка дії сторонніх сил. Їх фізична природа може бути різноманітною. В гальванічних елементах сторонні сили виникають в результаті хімічних реакцій на електродах, а енергія, що вивільнюється в реакціях, перетворюється в роботу струму. В явищі електромагнітної індукції сторонні сили – це сили електричного поля, однак не електростатичного, а вихрового. В СЕ потенційна енергія електронів підвищується за рахунок енергії фотонів, коли електрони переходять на більш високий енергетичний рівень в кристалі – із валентної зони в зону провідності.

Первинний фотострум пропорційний потоку випромінення (потужності випромінення) Ф, падаючому на СЕ: Iф=α Ф , де α- коефіцієнт пропорційності. Струм I в навантаженні залежить від Iф та опору навантаження R. При короткому замиканні СЕ, коли опір дорівнює 0 напруга на опорі дорівнює 0, а струм, як виходить із (1), дорівнює I_Φ . Це значить, що всі генеровані світлом носії попадають у зовнішній контур, а висота бар’єра в p-n-переході не змінюється. Якщо зовнішній контур розірваний то I=0. При цьому напруга що називається напругою холостого ходу Uxx , як виходить із (2), дорівнює

(3)

Із 3 видно, що напруга логарифмічно (слабо) росте із ростом первинного фотоструму або потоку випромінювання. Часто сонячні елементи вмикають в батареї: послідовно – для збільшення напруги, паралельно – для збільшення струму. Залежність струму від напруги, тобто ВАХ ідеального СЕ, показана на рис. 2. Кожній точці кривої відповідає певний опір навантаження: зі збільшенням R напруга росте, а струм спадає. В навантаженні виділяється електричне навантаження R=IU. Вона залежить від R та при деякому його значенні Rm набуває максимального значення Pm=Im Um , де Im і Um – струм та напруга при максимальній потужності (максимальна потужність рівна площі заштрихованого прямокутника на рис. 1.2) . При зміненні потоку випромінювання ВАХ змінюються так, як показано на рис. 1.3 Зі зростом Ф збільшується напруга, струм та потужність, а оптимальний опір Rm зменшується.

Коефіцієнтом корисної дії СЕ називають відношення максимальної електричної потужності до потоку падаючого випромінювання n=Pm/Ф.

Рис. 1.2	Рис. 1.3

Багато процесів зменшують ККД, відзначимо деякі з них. Частково світло відбивається від поверхні напівпровідника, тому для зменшення віддзеркалення СЕ покривають інтерференційним прояснюючим шаром. Фотони, енергія яких недостатня для внутрішнього фотоефекту, не дають внеску в електричну енергію. Деякі пари електрон - дірка рекомбінують і не дають внеску у фотострум. Потужність втрачається при проходженні струму через об'ємний опір напівпровідника. Згідно теорії, сонячний елемент з кремнію має ККД не більше 20%, а практично - менше. Ведуться дослідження з метою зменшення вартості і підвищення коефіцієнта корисної дії СЕ.

За межами земної атмосфери щільність потоку сонячного випромінювання складає 1353 Вт/м², а на поверхні землі менше унаслідок поглинання світла в атмосфері, залежного від висоти сонця над горизонтом і стану атмосфери. Прийнявши орієнтування густина потоку 850 Вт/м², отримаємо, що сонячна батарея площею 1м² при ККД 10 % виробляє електричну потужність 85 Вт. Окрім використання СЕ (фотоелемента) як джерело електричної енергії його застосовують також як фотоприймач для виявлення і вимірювання кількісних характеристик світла, наприклад, у фотографії.