Опыт 10. Источник тока на основе полупроводникового фотоэлемента

Цель опыта:

продемонстрировать наличие у полупроводникового фотоэлемента p-n перехода и показать возможность использования фотоэлемента в качестве источника тока.

Оборудование:

· фотоэлемент

· лампа 3.5В 0.25А

· лампа 12В 21Вт

· переменный резистор 470 Ом

· цифровой милливольтметр

· ключ

· источник постоянного тока

· модуль с клеммами для подключения источника питания

Перед проведением опыта расскажите ученикам об устройстве и принципе действия полупроводникового фотоэлемента. Основу фотоэлемента составляют два слоя полупроводника с различными типами проводимости. На один слой, чаще с электронной проводимостью, например кремния, напыляют полупрозрачный слой полупроводника с противоположным типом проводимости. По плоскости контакта двух слоев образуется p-n переход. При освещении фотоэлемента в кремнии образуются свободные носители заряда, которые под действием электрического поля p-n перехода разделяются: электроны накапливаются в полупроводнике с электронной проводимостью, дырки - в полупроводнике с дырочной проводимостью. В итоге на выводах фотоэлемента возникает напряжение. Если выводы фотоэлемента замкнуть, по цепи пойдет ток, величина которого определяется величиной фото ЭДС, а также внутренним сопротивлением фотоэлемента и сопротивлением внешней цепи, подключенной к нему. Возможность фотоэлемента выполнять роль источника тока отражена в его условном обозначении. Вывод фотоэлемента, сделанный от слоя с p?проводимостью (при освещении на нем возникнет положительный потенциал) соответствует положительному полюсу источника тока, а вывод, сделанный от слоя с n- проводимостью - отрицательному.

Передайте учащимся модуль, на котором смонтирован фотоэлемент. Предложите им рассмотреть его и обратить внимание на его условное обозначение. Фотоэлемент установлен на внутренней поверхности модуля. Поэтому для демонстрации темнового режима (характеристик фотоэлемента при отсутствии освещения) достаточно установить модуль на доску или металлический стенд обычным образом. При необходимости осветить фотоэлемент модуль переворачивается на ребро. Для этого на одной из боковых поверхностей модуля фотоэлемента имеются дополнительные магниты.

Для того чтобы проиллюстрировать наличие в фотоэлементе p-n перехода, соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 1. Модуль фотоэлемента установите на плоскость (обычным образом), так чтобы свет не достигал поверхности фотоэлемента. Положительную клемму фотоэлемента подключите к положительному выводу источника питания. В данной электрической цепи используется лампа 3.5В 0.25А. На выходе источника питания установите напряжение величиной около 4В.

Замкните ключ и продемонстрируйте свечение лампы. Измените полярность подключения фотоэлемента (для этого достаточно поменять местами его выводы) и снова замкните ключ. Свечение лампы будет отсутствовать. Таким образом, изменение полярности включения фотоэлемента (на поверхность которого не падает свет) в электрической цепи вызывает такие же последствия, как и изменение полярности включения диода, что и позволят сделать вывод о существовании p-n перехода в фотоэлементе.

Для изучения характеристик фотоэлемента, применяемого в качестве источника тока, соберите электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 2. Цифровой вольтметр подключается непосредственно к выводам фотоэлемента. Нагрузкой в цепи служит переменный резистор, а сила протекающего через него тока измеряется цифровым миллиамперметром.

Кроме того, соберите электрическую цепь осветителя (рис. 3). В эту цепь входит лампа 12В 21Вт, поэтому напряжение на выходе источника питания следует установить равным 12В.

Напомните учащимся, что вольтметр с высоким внутренним сопротивлением, подключенный к выводам источника тока, при отсутствии нагрузки показывает величину напряжения, практически равную ЭДС источника. Разомкните цепь нагрузки фотоэлемента (отключите от него переменный резистор) и продемонстрируйте, как меняется ЭДС фотоэлемента в зависимости от условий освещенности. Обратите внимание учащихся на то, что в темноте ЭДС фотоэлемента равна нулю. (В исходном состоянии модуль фотоэлемента установлен "обычном образом" и поверхность фотоэлемента не освещается). Затем замкните ключ в цепи источника света (лампы 12В 21Вт) и установите модуль фотоэлемента на ребро. Лампа должна находиться на расстоянии 50 - 70 см от фотоэлемента. Медленно приближайте лампу к фотоэлементу, увеличивая тем самым освещенность его поверхности, и следите за показаниями цифрового вольтметра. Следует отметить, что максимальная величина фото ЭДС составляет около 0.5 В. Это пороговое значение определяется величиной потенциального барьера p-n перехода.

Восстановите цепь нагрузки фотоэлемента и поместите освещающую его лампу вплотную к модулю фотоэлемента (модуль фотоэлемента по-прежнему установлен на ребро). Изменяя сопротивление переменного резистора от 470 Ом до нуля, продемонстрируйте, что напряжение на выводах фотоэлемента зависит не только от освещенности, но и от силы тока в цепи (величины сопротивления нагрузки).

Установите такое сопротивление нагрузки, чтобы напряжение на выходе фотоэлемента равнялось примерно половине максимальной величины фото ЭДС. Попросите учащихся на основе показаний цифрового вольтметра и цифрового амперметра рассчитать мощность, выделяемую в нагрузке. Вы можете подсказать ученикам, что в данной схеме включения напряжение на нагрузке и есть напряжение на фотоэлементе.

Обсудив с учениками полученные результаты, подчеркните, что фотоэлемент является единственным источником тока в данной электрической цепи. Это означает, что ток в цепи существует благодаря преобразованию фотоэлементом энергии света в электрическую энергию.

В заключение расскажите учащимся, что фотоэлементы широко применяются для обеспечения электроэнергией различных устройств: от калькуляторов до космических станций. И хотя напряжение и мощность одного фотоэлемента невелики, объединение их в солнечную батарею, где фотоэлементы соединяются последовательно и параллельно, позволяет получить требуемые выходные характеристики источника питания.