Дослідження фотоелемента на основі кремнію – МАНЛаб


Дослідження фотоелемента на основі кремнію

Автор Атамась Артем
Науковий співробітник НЦ "Мала академія наук України", кандидат технічних наук. Сфера наукових інтересів: розвиток технологій наукової освіти.

Завдання роботи:

  1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
  2. Провести експеримент відповідно до ходу роботи.
  3. Обробити результати експерименту згідно з аналізом даних.
  4. Зробити висновки за отриманими результатами.

Обладнання:

Комплект PHYWE «Відновлювані джерела енергії», цифровий мультиметр UNI-T UT70А (2 шт.), з’єднувальні провідники, штангенциркуль, цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610.

Теоретична частина

Рис. 1. Обладнання для дослідження характеристик фотоелемента

Рис. 2. Схема електричного навантаження фотоелемента.

Фотоелементом називається напівпровідниковий пристрій, що перетворює енергію світла, зокрема сонячного, на електричну енергію.

У більшості сучасних фотоелементів як напівпровідниковий матеріал використовують кремній. Такі фотоелементи мають досить високий ККД перетворення світлової енергії на електричну і тривалий ресурс, протягом якого їхні показники залишаються стабільними.

Ефективність будь-якого фотоелемента оцінюється його ККД, який визначається як відношення електричної потужності фотоелемента до потужності світлового випромінювання, що падає на його площу:

η = (Рел/Рсвіт)⋅100 %, (1)

де Рел – потужність фотоелемента;

Рсвіт – потужність світлового випромінювання, що падає на поверхню фотоелемента.

Електрична потужність фотоелемента може бути визначена як добуток струму в електричному колі, в якому він використовується як джерело живлення, та напруги:

Рел = Iн⋅Uн. (2)

Для визначення потужності світлового потоку необхідно визначити освітленість у місці розміщення фотоелементу у лк, за допомогою люксметра, та розрахувати потужність світлового потоку за формулою:

Рсвіт = 1,464∙107ES, (3)

де 1,464∙107 – коефіцієнт переведення лк у Вт/см2;

Е – освітленість, лк;

S – площа фотоелементу, см2.

Хід роботи

  1. З комплекту PHYWE «Відновлювані джерела енергії» зберіть установку для визначення характеристик фотоелемента відповідно до рис. 1. Схема електричного навантаження фотоелемента представлена на рис. 2.
  2. З’єднайте схему електричного навантаження з виводами фотоелемента.
  3. До електричного ланцюга навантаження підключіть мультиметри: для визначення напруги – паралельно, а струму – послідовно.
  4. З’єднайте джерело освітлення установки з джерелом живлення постійного струму.
  5. За допомогою штангенциркуля виміряйте розміри фотоелемента, розрахуйте його площу у м2 та занесіть її до таблиці результатів.
  6. Увімкніть джерело живлення та виставте напругу 12 В.
  7. Переконайтеся в працездатності установки шляхом замикання електричного ланцюга. Під час замикання ланцюга має загорятися світлодіод.
  8. За допомогою люксметра виміряйте освітленість у центральній частині фотоелемента та у 8 точках на його периферії. Результати вимірювань занесіть до таблиці 1.
  9. Приберіть зонд люксметра від фотоелемента та виміряйте за допомогою мультиметрів силу струму й напругу в навантаженні. Результати вимірювань занесіть до таблиці 2.
  10. Знижуйте напругу живлення джерела освітлення UДО з інтервалом 2 В та проведіть вимірювання за пп. 8 та 9 до повного згасання лампи. Результати вимірювань заносьте до таблиць 1 та 2.
  11. Вимкніть джерело живлення та проведіть вимірювання за пп. 8 та 9 за умов кімнатного освітлення (UДО = 0). Результати вимірювань занесіть до таблиць 1 та 2.

Аналіз даних

  1. За допомогою засобів Excel створіть таблиці результатів. Обрахуйте середні арифметичні значення освітленості за даними таблиці 1 та занесіть їх до таблиці 2.
  2. За формулою (3) визначте значення потужності світлового потоку, що падає на поверхню фотоелементу.
  3. За формулою (2) розрахуйте значення електричної потужності фотоелементу.
  4. За формулою (1) розрахуйте значення ККД фотоелемента.
  5. Побудуйте графіки залежності напруги, струму, електричної потужності та ККД фотоелемента від освітленості.
  6. Дійдіть висновків щодо характеру зміни показників роботи фотоелемента залежно від освітленості.

 

Таблиці результатів

 

Таблиця 1

UДО, В Е1, лк Е2, лк Е3, лк Е4, лк Е5, лк Е6, лк Е7, лк Е8, лк Е9, лк
0
4
6
8
10
12

 

Таблиця 2

S = ________ м2

UДО, В Есер, лк Рсвіт, Вт Uн, В Ін, А Рел, Вт η, %
0
4
6
8
10
12