13. Román-Magyar Előolimpiai Fizika Verseny Pécs Kísérleti forduló május 21. péntek MÉRÉS NAPELEMMEL (Szász János, PTE TTK Fizikai Intézet)

Átírás

1 3. oán-magyar Előolipiai Fizika Verseny Pécs Kísérleti forduló 2. ájus 2. péntek MÉÉ NAPELEMMEL (zász János, PE K Fizikai ntézet) Ha egy félvezető határrétegében nok nyelődnek el, akkor a keletkező elektron-lyuk párok nagy valószínűséggel rekobinálódás nélkül a P (pozitív), illetve az N (negatív) réteghez diffundáak. Az elektronok az N, a lyukak a P oldalon jelennek eg. Így a egvilágított félvezető áraforrásként viselkedik. Ha a napele sarkaira fogyasztót kapcsolunk, akkor a egvilágítással folyaatoson történő töltésszétválasztás és töltéskiegyenlítődés történik. A napeleek fontos paraétere a galváneleekhez hasonlóan a rövidzárási áraerősség ( ) és az üresjárási feszültség ( ). Ha a napeleet egy ellenállású fogyasztóval terheljük, akkor a napele sarkain az üresjárási értéknél kisebb feszültséget érhetünk, a belső potenciálgát csökken. Az átenet áraát a terikus töltésozgásból eredő sötétára és a egvilágítással arányos elektroos ára ( ) különbségeként írhatjuk fel: e () ahol ún. telítési ára, a hőérséklettel arányos terikus feszültség, ai szobahőérsékleten kb. 26 V., helyettesítésével a fenti egyenletből egkapjuk a rövidzárási áraerősséget, illetve helyettesítésével az üresjárási feszültséget: (2). (3) ehát a rövidzárási áraerősség a fényáraal, és így a beeső fényintenzitással egyenesen arányos, íg az üresjárati feszültség a fényára (és egyúttal a fényintenzitás) logaritusával arányos. Ahhoz, hogy a napeleből a axiális teljesítényt (P ) vegyük ki, fontos az optiális terhelés egválasztása, vagyis keressük, hogy egy adott egvilágítás esetén ilyen és unkaponti feszültség és áraerősség ellett lesz a P értéke a legnagyobb. Ehhez a P e (4) összefüggés axiuát kell eghatároznunk. A kifejezés differenciálásával kapjuk: dp e e. d Miniális átrendezés után:

2 2 e e, (5) aiből: e. (6) Az egyenlet alapján az axiális teljesítényhez tartozó úgynevezett unkaponti feszültség:. (7) A (6) egyenletben >>, valaint >>, így a egvilágításból szárazó fényárara (és egyúttal a rövidzárási áraerősségre) kapjuk: e (8) Ezt felhasználva az () alapegyenletben: (9) Mivel a rövidzárási áraerősségre:, így az optiális unkapontban érhető áraerősség:, () tehát az optiális terhelő-ellenállás:. () A gyakorlatban, ivel az terikus feszültség állandó értéke elhanyagolhatóan kicsi az egy cellát tipikusan jellező,4-,6 V unkaponti feszültséghez képest, így jó közelítéssel az optiális terhelő ellenállás értéke:. (2) A napeleek áraerősség-feszültség karakterisztikája ne-lineáris, azonban a fentiek alapján grafikusan eghatározhatjuk adott egvilágítás ellett a leadott axiális teljesítényt, és így a napele hatásfokát (. ábra). Ehhez az áraerősség-feszültség grafikont kell

3 felvennünk, aelyen az (, ) ponthoz, az origóból húzott egyenesnek a grafikonnal való etszéspontja adja eg közelítőleg az optiális ára és feszültség értékeket (, ). A axiálisan kivehető teljesítény P értékét az ábrán a satírozott rész szelélteti. Ennek a területnek, valaint az üresjárási feszültség és rövidzárási ára szorzata által eghatározott területnek a hányadosa a napele az úgynevezett kitöltési tényezője (ϕ): ϕ. (3) 25 r 2 8 W/2 [A] 5 P 5,5,5 2 [V]. ábra: Napele ára-feszültség karakterisztikája A ϕ értéke a gyakorlatban,75-,85 közé esik. A napele hatásfokát a axiálisan kivehető elektroos teljesítény és a beeső P fényteljesítény adja: φ η (4) P P 3

4 Eszközök: Napele, digitális ultiéter, fényforrás, ellenállás-panel, érőszalag Feladatok: Az asztallapon egy napeleet találsz, aelynek a tulajdonságait fogod vizsgái. A napele felett függőleges egyenes entén ozgatható izzólápával biztosítjuk a napele egvilágítását. A egvilágítás intenzitását a napele adott terhelő-ellenállása ellett érhető feszültségből, a ellékelt grafikon alapján határozzuk eg. (Alacsony terhelő-ellenállás esetén a kapocsfeszültség jó közelítéssel arányos a egvilágítással.) A érés során legyünk óvatosak, ivel az izzó és a lápatest haar felelegszik! A napele felületét lehetőleg ne érintsük eg! 4

5 . A fényintenzitás távolságfüggésének vizsgálata a) Mérd eg digitális ultiéterrel a távolság függvényében ( és 4 c között, legalább 6 különböző érték ellett) a vizsgált napele üresjárási feszültségét ( ) és rövidzárási áraerősségét ( )! Az áraerősséget végig azonos, 2 A-es éréshatáron érd! A kapott értékeket foglald táblázatba! Használd a ellékelt válaszlapot! 3, pont b) Ábrázold a fényintenzitást a távolság függvényében! Használd a illiéterpapírt a válaszlapon! 2, pont c) Ábrázold az üresjárási feszültséget és a rövidzárási áraot a fényintenzitás függvényében! Használd a illiéterpapírt a válaszlapon! 2, pont d) A ért értékek alapján adj eléleti becslést arra, hogy ekkora lenne a napele üresjárási feszültsége, ha a egvilágítás távolsága 5 centiéter! Ellenőrizd a kapott értéket éréssel! Használd a illiéterpapírt a válaszlapon! 2,5 pont e) A vizsgálataid alapján döntsd el az alábbi állítások közül, hogy elyek igazak és elyek haisak! öltsd ki a válaszlap egfelelő táblázatát!,5 pont. A napele egvilágítását tekinthetjük úgy, intha pontszerű fényforrással világítottuk voa eg. 2. A fény hatására keletkező elektron-lyuk párok a határrétegen kívülre jutva ellenfeszültséget hoznak létre, így gátolják a további elektron-lyuk szétválasztódást, ezért a napele üresjárási feszültsége telítődést utat az intenzitás függvényében. 3. A napele üresjárási feszültsége a egvilágító fény teljesítényének függvényében telítődést utat, ert a egvilágított részeken szétváló töltések nagy fényintenzításnál gerjesztődnek. 4. A napele rövidzárási áraerőssége utatja a növekvő egvilágítással keletkező többlettöltést, azonban itt a folyaatos töltéskiegyenlítés iatt ne tud kialakui az ellenfeszültség, nincs telítődés, a pontokra egyenes illeszthető. 5. Ha a egvilágítást tovább növeénk, akkor a ára tovább növekedne, és az aperérő belső ellenállásán jelentős feszültség esne, ekkor a rövidzárási áraerősség a egvilágítás függvényében szintén telítést utatna. 5

6 2. A napele ára-feszültség karakterisztikájának felvétele W Állítsd össze az ábrán látható kapcsolást, és állítsd be egy adott egvilágítást ( 6 ), 2 értékét jegyezd fel a válaszlapon! a) A terhelő-ellenállás () értékét csökkentsd az ellenállás-panelen, közben érd a kapocsfeszültséget! A terhelő-ellenállás értékének iseretében száítsd ki a körben folyó ára erősségét és az ellenálláson leadott teljesítényt! A kapott értékeket foglald táblázatba! Használd a ellékelt válaszlapot! 2, pont b) Ábrázold a leadott teljesítényt a feszültség függvényében! Használd a illiéterpapírt a válaszlapon! Állapítsd eg a axiális teljesítényt (P)! 2, pont c) Ábrázold az áraerősséget a feszültség függvényében! Az eléletben leírtak alapján szerkeszd eg az optiális unkapontot (, értékeket), és száítsuk ki ennek alapján is a napeleből axiálisan kivehető teljesítényt (P)! Használd a ellékelt válaszlapot! 2,5 pont d) Határozd eg a napele adott egvilágítás elletti hatásfokát! Használd a ellékelt válaszlapot!, pont e) Méréseid alapján hasonlítsd össze a fényeleet a kéiai áraforrásokkal! Jelöld az alábbi állításoknál, hogy elyek igazak a kéiai áraforrásokra (K), elyek a napelere (N), és elyek igazak indkettőre (M)! öltsd ki a válaszlap egfelelő táblázatát!,5 pont. Az ára-feszültség karakterisztika közelítőleg lineáris. 2. A legnagyobb teljesítényt akkor lehet kivenni belőlük, ha a belső ellenállásukkal egegyező nagyságú a terhelő-ellenállás. 3. A belső ellenállás értéke az üresjárási feszültség és a rövidzárási áraerősség hányadosaként száítható. 4. A belső ellenállás függ a terheléstől, az ára-feszültség karakterisztika ne lineáris. 5. A axiális teljesítényt akkor adja le, ha a terhelő-ellenállás az üresjárási feszültség és a rövidzárási áraerősség hányadosaként eghatározott érték, illetve annak közelében van. 6. Az illesztett terhelésnél (axiális kieneti teljesítény) a sarkain ért feszültség az üresjárási feszültség felénél nagyobb. 6