Виготовлення та дослідження фотоелемента з окису міді

Завдання роботи:

1. Ознайомитися з теоретичною частиною роботи.
2. Виготовити фотоелемент на основі окису міді.
3. Визначити розміри та характеристики отриманого фотоелемента.
4. Зробити висновки за результатами досліджень.

Обладнання:

Відрізок листової міді розмірами приблизно 10×10 см; електроплита «Термія – 1»; скляна або пластикова прозора ємність з габаритами, що відповідають габаритам відрізку листової міді; кухонна сіль; вода; скляна паличка; канцелярська прищіпка; відрізок листової міді довільних розмірів, менших за розміри основного відрізка; світлодіодний ліхтар; цифровий люксметр ТКА-ПКМ або Mastech MS6610; мультиметр цифровий.

Основні терміни та поняття

ЗОВНІШНІЙ І ВНУТРІШНІЙ ФОТОЕФЕКТ – ФОТОЕФЕКТ – СВІТЛОВІ КВАНТИ ФОТОЕЛЕМЕНТИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ – СВІТЛОВІ КВАНТИ Потужність електричного струму РОБОТА I ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА – ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ Коефіцієнт корисної дії

Теоретична частина

Рис. 1. Загальний вигляд та випробування 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.

Відомо, що напівпровідниками є також певні оксиди металів, що перебувають у кристалічному стані. З таких напівпровідникових матеріалів також можливо створювати фотоелементи. Окисні фотоелементи зазвичай мають показники, гірші ніж у кремнієвих фотоелементів, але є значно дешевшими, тому розглядаються як перспективні матеріали для пристроїв сонячної енергетики.

Одним з окисних напівпровідників, який можливо використовувати для отримання фотоелементів, є окис міді (І) – Cu₂O. Він є напівпровідником р-типу з шириною забороненої зони 2,1 еВ. Теоретична ефективність перетворення світлової енергії на електричну за допомогою окису міді може сягати 9–12 %.

Отримати шар окису міді (І) можна різними способами, серед яких – термічне окиснення, електроосадження, хімічне осадження та анодне окиснення.

У роботі пропонується отримати шар окису міді шляхом її термічного окиснення, що є найпростішим варіантом.

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

η = (Р_ел/Р_світ)⋅100 %, (1)

де Р_ел – потужність фотоелемента;

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

Електричну потужність фотоелемента можна визначити як добуток струму короткого замикання, напруги холостого ходу та коефіцієнту заповнення вольт-амперної характеристики:

Р_ел = I_к.з.⋅U_х.х.⋅x. (2)

Коефіцієнт заповнення вольт-амперної характеристики х для фотоелементу з окису міді зазвичай знаходиться в межах 0,4…0,6.

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

Р_світ = 1,464∙10^–7⋅E⋅S, (3)

де 1,464∙10^-7 – коефіцієнт переведення лк у Вт/см²;

Е – освітленість, лк;

S – площа фотоелементу, см².

Хід роботи

1. Візьміть відрізок листової міді розміром приблизно 10×10 см, обробіть його шліфувальною шкуркою та вимийте з мийним засобом під проточною водою.
2. Покладіть висушений відрізок листової міді на електроплитку та увімкніть її на максимальну потужність.
3. Коли електроплитка прогріється до максимальної температури (згасне червоний індикатор на її передній панелі) та лист міді стане рівномірно чорним, витримайте його на плитці протягом 30 хв.

Рис. 2. Вигляд відрізку листової міді після термічної обробки

4. Вимкніть електроплитку та дайте їй охолонути разом з відрізком листової міді.
5. Коли мідь охолоне до кімнатної температури, змийте під проточною водою залишки чорного нальоту, залишаючи шар червоного окису міді (І).
6. З одного боку відрізку міді зачистіть смугу шириною 5 мм до основного металу.
7. У прозору ємність насипте 200 г кухонної солі та налийте теплої води до рівня 10–15 мм від верхнього краю.
8. Вимішайте сіль у воді до повного розчинення.
9. За допомогою канцелярської прищіпки повісьте відрізок листової міді на скляну паличку та опустіть у прозору ємність з розчином солі так, щоб паличка лежала на верхньому зрізі ємності, а листова мідь висіла на ній зачищеною смужкою вгору.
10. Прикріпіть до зачищеної смуги листової міді провідник.
11. Візьміть інший відрізок листової міді довільних розмірів, прикріпіть до нього провідник та занурте в ємність з розчином солі позаду основного листа міді.
12. Перед робочою стороною відрізку листової міді встановіть світлодіодний ліхтар та увімкніть його.
13. За допомогою цифрового люксметра виміряйте потужність освітлення, яку забезпечує ліхтар.
14. З’єднайте фотоелемент з мультиметром та перевірте його працездатність шляхом увімкнення та вимкнення ліхтаря.
15. Виміряйте напругу холостого ходу та струм короткого замикання фотоелемента.

Аналіз даних

1. За формулою (3) визначте потужність світлового потоку, що падає на поверхню фотоелемента.
2. За формулою (2) визначте електричну потужність фотоелемента.
3. За формулою (3) визначте ККД фотоелемента.