Санкт-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