Отчёт по лабораторной работе № 6

По дисциплине: Физика

Тема: Исследование солнечных генераторов электроэнергии

Выполнил: студент гр. ОНГ-09 _ ____________ / Чебышева А. М./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Проверил: ассистент _______________ / Быстров Д. С./

^{(должность) (подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

Цель работы: получить зависимость характеристик солнечных батарей от освещенности, оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.

Общие сведения:

1. Явление, изучаемое в работе:

Фото-ЭДС - электродвижущая сила, возникающая в полупроводнике при поглощении в нём электромагнитного излучения (фотовольтаический эффект). Фото-ЭДС обусловлена пространственным разделением генерируемых излучением носителей заряда.

1. Определение основных физических понятий, объектов, величин, процессов и величин:

Под термином «солнечная батарея» подразумевается несколько объединённых фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов) — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток

Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой.

p-n-переход (n – negative - отрицательный, электронный, p – positive - положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Дырка — квазичастица, носитель положительного заряда, равного элементарному заряду в полупроводниках.

Напряжение холостого хода - напряжение между двумя выводами электрической цепи, когда нагрузка, подключаемая к этим выводам, отсоединена. Обычно оно больше напряжения между этими выводами в нормальном рабочем режиме. Напряжение холостого хода равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения p-n перехода при появлении светового тока.

Короткое замыкание (КЗ) — электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу.

Спектральная характеристика фотоэлемента - это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света.

1. Законы и соотношения описывающие, описывающие изучаемые процессы, на основании которых получены расчетные формулы:

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) — график зависимости тока через двухполюсник от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности ), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию и не представляет особого интереса. Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, динистор, стабилитрон. Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжению холостого хода U_хх) при разных освещенностях (для кремниевого фотоэлемента фото-ЭДС имеет порядок ~0,5–0,55 В). Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I_кз. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом имеет порядок ~20-25 мА/см². По ВАХ при различных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь вписанного прямоугольника с вершиной на ВАХ при заданной освещенности.

Световые характеристики фотоэлемента - это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания фотоэлемента от освещенности фотоэлемента.

а) При малой освещенности зависимость I_кз ~J линейна, т.к. ток прямо пропорционален количеству родившихся электронно-дырочных пар:

,

а количество появившихся электронно-дырочных пар, в свою очередь, прямо пропорционально количеству поглощенных квантов света:

,

где α – показатель поглощения, J – интенсивность света, η – внутренний квантовый выход. Для кремниевых фотодиодов η ~ 100%. Квантовый выход можно определить по экспериментальной зависимости I_кз(J).

б) По мере увеличения освещенности возрастает накопление зарядов, и дополнительная разность потенциалов все сильнее понижает потенциальный барьер. За счет этого увеличивается вклад прямого тока, и зависимость становится сублинейной.

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

Схема установки:

1) 3)

2) 4)

Основные расчетные формулы:

1) Интенсивность света:

J=U/(uS)

U - измеренное напряжение (В);

u - чувствительность фотодетектора (u = 0,16 мВ/мВт);

S - площадь датчика интенсивности (S=50 ).

2) Максимальная мощность, вырабатываемая солнечной батареей:

P_max=U∙I

U –напряжение (В);

I – сила тока (A).

3) Потребляемая мощность:

P_потр=J∙S

J – интенсивность света (Вт/ )

S – площадь солнечной батареи ( )

4) КПД фотоэлемента:

η=P_max/P 100%

P_max - максимальная мощность, вырабатываемая солнечной батареей (Вт)

P - потребляемая мощность (Вт)

Формулы погрешностей косвенных измерений:

Таблицы с результатами измерений и вычислений:

Таблица 1

Измерение зависимости I_кз и U_хх от освещенности

r, см	UJ, В	J, Вт/м2	Uхх, В	Iкз, мА
		3,88·103	2,08	28,3
		4,00·103	2,09	30,9
		4,38·103	2,10	33,8
		4,63·103	2,11	37,6
		5,88·103	2,12	41,8
		6,63·103	2,14	46,7
		7,63·103	2,15	52,5
		8,63·103	2,16	59,7
		10,25·103	2,18	68,1
		12,00·103	2,19	78,1
	11,4·10-3	14,25·103	2,20	91,7

 

Таблица 2

Измерение ВАХ и получение ее зависимости от освещенности

r = 50 см	r = 70 см	r = 90 см
J, Вт/м2 =14,25·103	J, Вт/м2 =7,63·103	J, Вт/м2=4,38·103
U, В	I, мА	P, мВт	U, В	I, мА	U, В	I, мА
2,05	47,8	97,99	2,05
2,04	47,3	96,49	2,04
2,03	49,4	100,28	2,03	5,9
2,02	52,3	105,65	2,02	7,9
2,01	53,7	107,94	2,01	11,1
	54,4	108,80		12,8
1,9	70,4	133,76	1,9	31,4	1,9	15,5
1,8	79,9	143,82	1,8	41,1	1,8	23,4
1,7	85,2	144,84	1,7	46,3	1,7	27,8
1,6	87,2	139,52	1,6	48,8	1,6	30,4
1,5		133,50	1,5	50,4	1,5	31,6
1,4	89,9	125,86	1,4	51,2	1,4	32,3
1,3	89,7	116,61	1,3	51,5	1,3
1,2		108,00	1,2	51,9	1,2	33,2
1,1	90,4	99,44	1,1	52,1	1,1	33,4
	90,5	90,5		52,2		33,6

 

Таблица 3

Измерение ВАХ фотоэлемента без стеклянной пластиной и со стеклянной пластиной

Без стеклянной пластины	Со стеклянной пластиной
U, В	I, мА	U, В	I, мА
2,05	47,8	2,05	30,5
2,04	47,3	2,04	31,3
2,03	49,4	2,03	32,5
2,02	52,3	2,02	35,2
2,01	53,7	2,01	37,6
	54,4		40,6
1,9	70,4	1,9	56,7
1,6	87,2	1,6	73,1
1,3	89,7	1,3	74,5
	90,5		74,7
Uхх, В =	Uхх, В =

Пример вычисления:

 

 

 

 

Графики:

1) График зависимости интенсивности света от расстояния, J(r):

 

 

2) График зависимости напряжения холостого хода от освещенности, U_хх(J):

 

 

 

3) График зависимости тока короткого замыкания от освещенности, I_кз(J):

 

 

4) ВАХ для трех различных значений освещенности, I(U) для J₁, J₂, J₃:

 

А) J₁=14,25·10³ Вт/м² , r = 50 см

 

 

Б) J₂ =7,63·10³ Вт/м², r = 70 см

 

В) J₃ =4,38·10³ Вт/м², r = 90 см

 

 

5) Построить ВАХ фотоэлемента:

А) без стеклянной пластины:

 

 

Б) со стеклянной пластиной:

 

Вывод: В данной работе сначала была получена зависимость интенсивности света на различных расстояниях от лампы, в результате чего было обнаружено, что при увеличении расстояния от лампы интенсивность света убывает. После была получена зависимость напряжения холостого хода от освещенности, вследствие чего был сделан вывод, что при увеличении интенсивности напряжение холостого хода возрастает, то же самое, кстати, можно сказать и о токе короткого замыкания. Затем были построены ВАХ для трех различных значений освещенности и вычислено значение КПД фотоэлемента для расстояния 50 см до лампы -