Кафедра общей и технической физики

↑

▷ Содержание

Стр 1 из 3Следующая ⇒

Кафедра общей и технической физики

Физика

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Методические указания к лабораторным работам

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2015

УДК 539.2/145.+536.2.02

физика. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Методические указания к лабораторным работам /сост. Т.В. Стоянова, Н.А. Тупицкая. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2015. 23 с.

Методические указания к лабораторной работе № 3 «Солнечные элементы» являются частью цикла методических указаний к лабораторным работам по дисциплине «Физика».

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями Федеральных Государственных образовательных стандартов (ФГОС 3).

Предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки Горного университета.

Авторы методических указаний выражают благодарность доц. И.И. Парфёновой за помощь в подготовке материалов.

Табл. 3. Ил. 10. Библиогр.: 5 названий

Научный редактор доц. Т.В. Стоянова

ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях к лабораторной работе изложены теоретические основы работы солнечных элементов, для более глубокого ознакомления с физическими основами изучаемых явлений рекомендуется литература [1] – [5]. Описание работы знакомит с содержанием и методикой её выполнения. Примерная схема записи результатов измерений и их обработки (формы таблиц, отчёта, некоторые параметры измеряемого образца) приведены на рабочих местах. Вопросы к зачёту в конце описания позволяют студенту сосредоточиться на главном. Требования к оформлению отчёта изложены ниже.

Рекомендации к выполнению лабораторных работ

Целью лабораторных работ является приобретение студентами практических навыков в проведении физического эксперимента, что включает в себя ознакомления с методиками измерения физических величин, обучение работе с измерительными приборами, методам и способам их правильного применения. Студенту предстоит совершенствовать свои навыки использования компьютера для написания отчетов и оформления графиков.

Прежде чем приступить к изучению лабораторной работы, рекомендуется ознакомиться с общей теоретической частью методического указания [4] – основами зонной теории твёрдого тела.

При подготовке к экспериментальной части лабораторной работы студенту необходимо оформить заготовку, которая должна содержать:

1.Цель работы;

2.Схему экспериментальной установки с указанием и расшифровкой её основных элементов;

3. Основные рабочие формулы, с расшифровкой величин, входящих в формулу и их размерности;

4. Таблицу для записи результатов измерений.

Титульный лист заготовки оформляется в соответствии с правилами оформления титульных листов лабораторных работ, принятыми в Горном университете.

Заполнение таблицы с результатами измерений следует проводить аккуратно, в строгом соответствии с показаниями приборов. Результаты измерений необходимо записывать непосредственно такими, какими они сняты с приборов, без какой-либо предварительной обработки. В случае если измерение выглядит неправдоподобно, необходимо перепроверить схему подключения прибора и аккуратно повторить измерение.

Никаких, даже самых простых арифметических расчетов, нельзя делать «в уме» для уменьшения вероятности ошибок. Промежуточные вычисления, если они есть, необходимо приводить в заготовке в письменном виде, от руки.

На основе данных, полученных в результате проведения лабораторной работы, оформляется отчёт. Требования к отчёту изложены на страницах 21 – 22 методических указаний.

Контрольные вопросы приведены на странице 22.

Работа 3. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Цель работы: исследование работы солнечного элемента и изучение его основных характеристик.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Фотоэлемент является источником электроэнергии, который генерирует электрическое напряжение за счёт поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечным элементом или солнечной ячейкой. Солнечные элементы, изготавливаемые в промышленных масштабах, в основном конструируют на основе Si, GaAs, GaAsP. Фото-ЭДС таких элементов обычно составляет величину ~ 0,5 В.

Коэффициент полезного действия (КПД) выпускаемых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. Бо́льший коэффициент полезного действия реализуют на солнечных элементах на основе арсенида галлия (GaAs) и твёрдых растворов, однако стоимость этих материалов существенно выше. С целью удешевления солнечных элементов используют концентраторы солнечной энергии.

В лабораторных условиях для изготовления солнечных элементов применяют более широкий спектр материалов и конструкций, при помощи которых достигаются большие значения коэффициента полезного действия (табл. 1).

Для получения большей ЭДС фотоэлементы соединяют в батареи последовательно (солнечные батареи), а для получения большей мощности – параллельно.

Разные материалы имеют максимум поглощательной способности в разных интервалах электромагнитного спектра, например для кремния, он лежит в инфракрасной области спектра. Для повышения КПД солнечных элементов их изготавливают в виде многослойных структур. Многослойные батареи представляют собой конструкцию, состоящую из слоев различных материалов. Их подбирают в расчете на кванты разной энергии. То есть один слой поглощает энергию зеленого цвета, второй – синего, третий – красного. В теории различные комбинации этих слоев могут дать значение КПД 87%. Но это, к сожалению, лишь теория. Как показывает практика, изготовление подобных конструкций в производственных масштабах очень трудоемкое занятие, да и стоимость таких модулей очень высока. В настоящее время максимальных КПД, достигнутый на многослойных модулях, составил 44,7% (данные на сентябрь 2013 года).

Солнечные батареи питают бортовые системы космических аппаратов, автомобилей, обогревают и освещают помещения и т.д. Со временем они будут играть всё большую роль в энергетике, которая является экологически чистой и позволяет сохранять ископаемые виды топлива.

Таблица 1

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА,

ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

Проводимость полупроводников с большой степени зависит от внешних факторов, главным образом, от температуры и от облучения квантами света. Дополнительная проводимость в полупроводниках, возникающая под действием света, называется фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом.

Существует три пути увеличения концентрации носителей под действием света:

1) в собственном проводнике кванты света вырывают электроны из валентной (заполненной) зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно образуется равное число дырок в валентной зоне. Для осуществления этого процесса необхо димо, чтобы энергия квантов была больше ширины запрещённой зоны, т.е. (рис. 1.а);

Рис. 1.а

2) в примесном полупроводнике n- типа (электронном) электроны забрасываются с донорных уровней в зону проводимости, и увеличивается электронная проводимость. Для этого необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации донорной примеси, т.е. (Рис. 1.б);

Рис. 1.б

3) в полупроводнике p -типа (дырочном) электроны вырываются из валентной зоны и забрасываются на акцепторные уровни, при этом возрастает дырочная проводимость. В этом случае необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации акцепторной примеси, т.е. (Рис. 1.в).

Рис. 1.в

При освещении находящегося под напряжением полупроводника, в нём протекает световой ток I.

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n- переходом. Структура ячейки представлена на рис. 2.

При освещении кремния из-за поглощения квантов света в p-n- переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-n- переходу, происходит генерация электронно-дырочных пар новых неравновесных носителей заряда. Возникающие при этом дырки в n -области и электроны в р -области являются неосновными носителями заряда, для которых поле контактной разности потенциалов является ускоряющим.

Под действием ускоряющего поля контактной разности потенциалов неосновные носители заряда (электроны и дырки) начинают двигаться в противоположных направлениях и концентрироваться по обе стороны р-n-перехода. Основные носители заряда, д ля которых поле контактной разности потенциалов является тормозящим, остаются в объёме той области полупроводника, в которой они образовались.

	Положительный контакт

В результате накопления электронов в n -области и дырок в p -области между этими двумя областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Рис. 9

Блок-схема измерительной установки приведена на рис. 9.

Источником света является лампа 1. Для измерения интенсивности света служит датчик интенсивности излучения (ДИ) 2, сигнал с которого поступает на мультиметр 3, который измеряет напряжение на фотоэлементе в режиме измерения вольт-амперной характеристики и световых характеристик. Фототок солнечного элемента 4 измеряется мультиметром 5. Реостат 7 является переменным сопротивлением, позволяющим изменять значения напряжения на фотоэлементе в режиме снятии вольт-амперной характеристики. Фильтр 6 служит для уменьшения нагрева солнечного элемента.

Принципиальная схема установки для снятия вольт-амперных и световых характеристик приведена на рис. 10.

Фототок солнечной батареи 1 измеряется мультиметром 2, а её напряжение – мультиметром 3. Регулировка тока производится реостатом 4.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед включением оборудования необходимо убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне и предупредить товарищей о начале лабораторной работы; до начала работы приборы должны быть выключены.

В случае обнаружения неисправностей, связанных с токопроводящими проводниками, изоляцией, греющимися токонесущими частями, необходимо немедленно прекратить работу и обратиться к преподавателю или дежурному лаборанту.

ЗАМЫКАНИЯ ОТ ОСВЕЩЕННОСТИ

1. Не меняя схему предыдущего эксперимента, перевести мультиметр в режим измерения тока с пределом шкалы «200 mA».

2. Включить лампу.

3. Изменяя расстояние от фотоэлемента до лампы в диапазоне от 1 м до 50 см с шагом 5 см, измерить ток короткого замыкания I _кз.

4. Данные занести в таблицу 2.

5. Выключить мультиметр и лампу.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЁТУ

По лабораторной работе оформляется отчет, который должен содержать:

1) номер и название работы;

2) формулировку цели работы;

3) физическое обоснование цели работы и метода измерения;

4) рабочую формулу с расшифровкой всех буквенных обозначений;

5) результаты прямых измерений и вычислений;

6) построенные графики зависимостей:

6.1) интенсивности света от расстояния от лампы, J (r).

6.2) напряжения холостого хода от освещённости, U _хх(J).

6.3) тока короткого замыкания от освещённости, I _кз(J).

6.4) тока от напряжения (вольт-амперные характеристики) без освещения и для трёх различных значений освещённости, I (U) для J ₁, J ₂, J ₃.

6.5) вольт-амперную характеристику для двух спектральных характеристик излучения – без фильтра и с фильтром, на расстоянии 50 см от лампы.

7) значение КПД фотоэлемента для расстояний 50, 70 и

90 см до лампы.

8) оценку погрешности (неопределённости) измерения КПД.

9) подпись студента и дату выполнения данной лабораторной работы

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Что называется внутренним фотоэффектом?

2. Что такое солнечный (фото-) элемент? Каков принцип его действия? Что такое солнечная батарея?

3. Что такое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания?

4. Что такое КПД фотоэлемента и как его рассчитывать? Как выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента?

5. Что называется напряжением холостого хода? Какое воздействие оказывает температура на напряжение холостого хода фотоэлемента?

6. В чём различие между освещением солнечным светом и освещением лампой?

Библиографический список

1. Детлаф А.А., Курс физики. /Детлаф А.А, Яворский Б.М. М.: Высшая школа, 2009.

2. Парфенова И.И. Квантовая механика, физика твёрдого тела и элементы атомной физики. / Парфенова И.И., Егоров С.В., Мустафаев А.С. и др. Сборник задач для студентов технических специальностей, СПб.: СПГГИ (ТУ), 2010. 112 с.

3. Савельев И.В. Курс физики. Т.3, М.: Лань, 2008.

4. Томаев В.В., Общая физика. Физика твёрдого тела. Зонная теория твердых тел. Контактные и магнитные явления в твёрдых телах. Метод. указания к лабораторным работам/ Томаев В.В., Стоянова Т.В., Левин К.Л. СПб.: 2012

5. Трофимова Т.И. Курс физики. / М.: Высшая школа, 2001 и др. г. изд.

СОДЕРЖАНИЕ:

Кафедра общей и технической физики

Физика

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности