Лабораторный практикум по физике оптика

сопротивление RS, которое состоит из сопротивления кристалла полупроводника и сопротивления омических контактов.

Физически наличие генератора тока Г отражает процесс возбуждения квантами света избыточных носителей и их разделение диффузионным электрическим полем p-n перехода. При малых интенсивностях света ток Iф, генерируемый эквивалентным генератором Г, пропорционален величине светового потока

где А – постоянный коэффициент.

В соответствии с законами Кирхгофа при стационарном световом потоке для представленной эквивалентной схемы имеем

Из формул (7) и (8) получается выражение для тока, текущего через нагрузку:

Для световых потоков, удовлетворяющих условию (6), в случае короткого замыкания (RH = 0) ток короткого замыкания равен

90

В этом случае постоянная А является интегральной чувствительностью фотоэлемента.

Мощность на выходе определяется выражением

Коэффициент полезного действия (КПД), т.е. отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к общей мощности излучения, падающего на фотоэлемент, является наиболее важным параметром. КПД солнечных батарей, изготовленных из кремния и арсенида галлия, составляет 10÷15 %.

Перечислим основные характеристики фотоэлементов:

1. Вольтамперные характеристики. Режиму работы фотоэлемента (режиму генерация фото-ЭДС) при разных освещенностях или световых потоках соответствует часть вольтамперной характеристики (ВАХ), расположенная в четвертой четверти (рис. 3). Точка пересечения ВАХ с осью напряжений соответствует значению фото-ЭДС или напряжению холостого хода. У кремниевых фотоэлементов фото-ЭДС составляет 0,5÷0,55 В.

91

Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значению тока короткого замыкания, который зависит от площади выпрямляющего p-n перехода фотоэлемента. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом составляет 20-25 мА/см2.

По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором на нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы солнечной батареи соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности (рис. 3). Для кремниевых солнечных батарей при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке 0,35-0,4 В, плотность тока через фотоэлемент 15-20 мА/см2.

2.Световые характеристики фотоэлемента. Световые характеристики фотоэлемента - это зависимости фото-ЭДС и тока короткого замыкания от светового потока или от освещенности фотоэлемента.

3.Спектральная характеристика фотоэлемента - это

зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Максимум спектральной характеристики кремниевых фотоэлементов почти соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного излучения. Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используют для создания солнечных батарей.

4. Коэффициент полезного действия (КПД) фотоэлемента -

это отношение максимальной мощности Pmax, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности лучистого потока Рn падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлементов, относят отражение части излучения от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света в полупроводнике, рекомбинацию неравновесных носителей заряда еще до их разделения электрическим полем p-n перехода, потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы

92

фотоэлемента. КПД можно существенно повысить, используя в качестве исходного полупроводника теллурид кадмия, арсенид галлия и другие материалы с большей шириной запрещенной зоны, чем у кремния, а также используя фотоэлементы на основе гетеропереходов.

-максимальная мощность, выделяемая солнечной батареей, которая может быть определена из нагрузочной характеристики.

Описание экспериментальной установки и методика эксперимента

Для исследования зависимостей тока короткого замыкания и ЭДС холостого хода кремниевой солнечной батареи от освещенности, влияния сопротивления нагрузки на ее характеристики, используется установка, схема которой приведена на рис. 5.

К солнечной батарее с помощью переключателя П1 может подключаться миллиамперметр тА или ламповый вольтметр V, с помощью которых измеряют ток, проходящий через солнечную батарею и напряжение на ее выводах соответственно.

Переключателем П2 последовательно с солнечной батареей могут подключаться различные сопротивления нагрузки, что позволяет измерять ее нагрузочную характеристику Iф(U). Освещение солнечной батареи производится лампой накаливания Л с вольфрамовой нитью, которая питается переменным напряжением 220 В. Освещенность меняется посредством изменения расстояния между лампой накаливания и солнечной батареей. Градуировочная кривая имеется на рабочем месте.

Порядок выполнения работы

1.Ознакомиться с установкой; проверить присоединение измерительных приборов.

2.Поставить переключатели П2 и П3 в положение 1, а переключатель П1 – в положение 2. Снять зависимость ЭДС холостого хода от освещенности. Результаты занести в таблицу 1.

93

3.Переключатели П1 и П2 поставить в положение 1, а переключатель П3 в положение 2. Произвести измерения тока короткого замыкания солнечной батареи от освещенности. Результаты занести в таблицу 2.

4.Переключатели П1 и П3 поставить в положение 1. Подключая с помощью переключателя П2 последовательно к солнечной батарее различные сопротивления, снять нагрузочную

характеристику IФ = f (U ) солнечной батареи при максимальной освещенности. Результаты занести в таблицу 3.

5.Переключатель П3 поставить в положение 2 и, подключая последовательно к солнечной батарее с помощью переключателя П2 различные сопротивления нагрузки, снять зависимость тока, протекающего через солнечную батарею от величины нагрузочного сопротивления для двух различных уровней освещенности. Результаты занести в таблицу 4.

6.Построить графики измеренных зависимостей. Из нагрузочной характеристики определить коэффициент заполнения солнечной батареи.

94

Таблица 1 E, лк Uxx,В

Таблица 2 E, лк IКЗ,мА

Таблица 3

R,Ом

I,мА

U,В

Контрольные вопросы

1.В чем состоит принцип действия полупроводниковых фотоэлементов?

2.Какие основные характеристики и параметры солнечных фотоэлементов?

3.Расскажите о способах повышения КПД солнечных фотоэлементов.

4.Какие конструкции фотоэлементов Вы знаете?

5.Где применяются солнечные фотоэлементы?

6.Какие правила техники безопасности следует учитывать при выполнении данной лабораторной работы?

95

Лабораторная работа №13

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА – БОЛЬЦМАНА

Цель работы

Изучение основных законов теплового излучения, определение температуры тела при помощи оптического пирометра, вычисление постоянной Стефана-Больцмана.

Основы теории

При тепловом излучении энергия теплового движения атомов переходит в энергию испускаемых телом электромагнитных волн. Тела излучают при любых температурах, отличных от нуля (по шкале Кельвина).

Излучение, находящееся в некоторой замкнутой области пространства в термодинамическом равновесии с имеющимися в этой области телами, называется равновесным. Поскольку излучение представляет собой вид материи, то, как и всякое тело, оно, находясь в равновесии и другими телами, принимает их температуру. Эта мысль была высказана русским физиком Б.Б. Голицыным в 1893 г.

Если количество лучистой энергии, характеризуемое длиной волны λ , падает из вакуума на тело, имеющее температуру T , то

поглощается телом, часть IRλ отражается или рассеивается, а

часть IDλ проходит через тело, так что по закону сохранения энергии

Разделив в этом уравнении почленно левую и правую части

поглощательной способностью, или коэффициентом поглощения.

96

способностью, или коэффициентом прозрачности. В таком случае

Тела, поглощающие все падающее на них излучение любой длины волны ( Aλ = 1), называются абсолютно черными. В

природе нет тел с такими абсолютными свойствами, однако некоторые тела можно, хоть и приближенно, считать абсолютно черными. Так, например, сажа является почти черным телом (

Aλ = 0,95), у платиновой черни коэффициент поглощения еще

ближе к единице.

Для экспериментальных целей весьма просто получить излучение, близкое по свойствам к излучению абсолютно черного тела, просверлив отверстие в любом твердом теле. Если глубина этого отверстия составляет несколько его диаметров, то излучение из отверстия практически представляет собой излучение абсолютно черного тела.

Одной из важнейших проблем оптики было теоретическое объяснение закономерностей теплового излучения, то есть излучения нагретых тел или излучения абсолютно черного тела. Некоторые из этих закономерностей были получены из чисто термодинамического рассмотрения свойств излучения. В применении к тепловому излучению установлены следующие законы:

1.Закон Кирхгофа: отношение лучеиспускательной способности к лучепоглощательной способности при данной температуре не зависит от физических свойств тела и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела.

2.Закон Стефана–Больцмана: интегральная лучеиспускательная способность абсолютно черного тела, т.е. энергия, испускаемая

97

за одну секунду единицей поверхности тела, определяется соотношением

3.Закон смещения Вина: с увеличением температуры абсолютно черного тела максимум энергии в спектре его излучения смещается в сторону коротких длин волн

где b = 0,002897 м×К является постоянной величиной.

На основе законов теплового излучения можно с помощью оптического пирометра измерять температуру нагретых тел.

Экспериментальная установка

На рис. 3 представлена принципиальная схема установки. В качестве источника теплового излучения используется кинопроекционная лампа с вольфрамовой нитью N .

Рис.3

Потребляемая мощность (электрическая) определяется по показаниям вольтметра и амперметра

98

В стационарном режиме, когда температура нити постоянна, мощность, которая рассеивается нитью, должна быть равна мощности, которую она получает

Мощность N2 рассеивается в основном за счет теплового

излучения из лампы выкачан воздух, поэтому теплопроводностью газа можно пренебречь.

Подставляя в (25) формулы (24), (26) и (27), получаем:

Рис. 4

Для измерения температуры T используется пирометр с исчезающей нитью. Этот способ измерения основывается на сравнении излучения нагретого тела в одном определенном спектральном участке λ с излучением черного тела той же длины волны.

На рисунке 4 приведена схема пирометра. В фокальной плоскости объектива пирометра помещается электрическая лампа L с нитью накала, изогнутой в виде дуги. Окуляр Oк позволяет одновременно наблюдать среднюю часть нити лампы пирометра

99