Опыт 2.
« Фотоэлементы. Солнечная батарея»
Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.
Фотоэлемент с внешним фотоэффектом. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом состоит из колбы, в которой находится вакуум или газ. Внутри колбы находятся два электрода – сурьмяноцезиевый катод К, выполненный в виде полусферы, и медный анод. Катод сделан из сурьмы и цезия потому что эти металлы имеют малую работу выхода для электронов.
Катод присоединяется к минусу источника тока, а анод через сопротивление нагрузки к плюсу источника тока ( рис.1). Так как внутри фотоэлемента вакуум или газ, то электрического тока в цепи нет. Если на анод падает свет, то благодаря малой работе выхода электронов материала катода – из катода кванты света выбивают электроны, которые движутся к положительно заряженному аноду.
Рис.1.
Цепь замыкается и в ней возникает электрический ток ( фототок)..
Фотоэлемент с внутренним фотоэффектом.
Простейшим фотоэлементом с внутренним фотоэффектом является фоторезистор. Он состоит из диэлектрической пластины 2, открытой полупроводниковой пластины 1 и электрических контактов 3 ( рис.2).
Если на полупроводниковую пластину будет падать свет, то фотоны света будут разрушать ковалентные связи в атомах полупроводника, в результате чего будут появляться дополнительные электроны и дырки, в электрической цепи увеличится электрический ток и, следовательно увеличится падение напряжения на сопротивлении нагрузки R н.
Рис.2.
Солнечная батарея – источник электрического тока.
Солнечная батарея является фотоэлементом с внутренним фотоэффектом, вырабатывающим электрический ток. На рис.3 представлена схема одного элемента солнечной батареи. Она состоит из двух полупроводников разного типа проводимости n и р типа, присоединенных к нарузке Rн.
Между полупроводниками n и р типа существует p-n переход, который препятствует движению электронов в полупроводник р типа и дырок – в полупроводник n типа. Если на открытый полупроводник n типа будет падать свет, то кванты света будут сообщать свободным электронам в полупроводнике n типа дополнительную энергию, благодаря которой электроны будут проходить через p-n переход и полупроводник р типа будет заряжаться отрицательно, а полупроводник n типа – положительно.
Рис.3.
Таким образом, такой фотоэлемент будет вырабатывать электрический ток. Для увеличения силы тока такие фотоэлементы соединяют в блоки, которые называются солнечными батареями.
Установка для наблюдения работы фотоэлементов и солнечной батареи изображена на рис.4.
Она состоит из источника высокого напряжения ИВН, Фотоэлемента с внешним фотоэффектом, фотоэлемента с внутренним фотоэффектом ( фоторезистором) , солнечной батареи, гальванометра и переключателей.
Проведем опыты с установкой для изучения фотоэлементов и солнечных батарей.
Рис.4.
Опыт 1. Демонстрация внешнего фотоэффекта. Для этой демонстрации используем источник питания, фотоэлемент с внешним фотоэффектом, переключатели и источник света.
У переключателя № 1 соединим контакты 1 и 2, и у переключателя № 2 соединим контакты 1 и 2. Включим источник питания I =1,26 мА, U = 100 В. Включим осветительную лампу и поднесем ее к фотоэлементу с внешним фотоэффектом. Стрелка гальванометра отклонится, следовательно, в цепи возник фототок. Если лампу поднести ближе, то стрелка гальванометра отклонится на больший угол, так как фототок возрастет.
Проблема. Почему ?
Ответ. При освещении фотоэлемента из катода будут вылетать электроны которые и создадут электрический ток.
Опыт 2. Демонстрация внутреннего фотоэффекта. Для этой демонстрации используем источник питания, фотоэлемент с внутренним фотоэффектом ( фоторезистор), переключатели и источник света.
У переключателя № 1 соединим контакты 2 и 3, а у переключателя № 2 соединим контакты 1 и 2. Включим источник питания I = 0,34 мА , U = 100 В. Через фотоэлемент потечет ток, и стрелка гальванометра отклонится. Затемним фотоэлемент. Фототок уменьшится.
Проблема. Почему ?
Ответ. При освещении фоторезистора кванты света будут разрушать в полупроводнике фоторезистора ковалентные связи. В результате этого возникнут дополнительные электроны и дырки, следовательно электрический ток в полупроводнике увеличится.
Опыт 3. Демонстрация работы солнечной батареи. Для этой демонстрации используем источник питания, солнечную батарею, переключатели и источник света.
У переключателя № 1 контакты разъединены, а у переключателя № 2 соединим контакты 2 и 3. Включим осветительную лампу и поднесем ее к солнечной батарее. Стрелка гальванометра отклонится, следовательно, в цепи возник фототок, т.е солнечная батарея заработала как источник тока. Если лампу поднести ближе, то стрелка гальванометра отклонится на больший угол, так как фототок возрастет. Проблема. Почему ?
Ответ. Солнечная батарея состоит из большого количества фотоэлементов с p-n переходом. При освещении полупроводника n – типа электроны, получив дополнительную энергию от квантов света переходят в полупроводник р – типа. Вследствие этого на концах полупроводников появляется напряжение.
Рассказать о применении фотоэлементов и солнечных батарей в быту и промышленности..
Одно из популярных применений солнечных батарей – садовые светильники. Вежу светильника находится солнечная батарея. При попадании на нее солнечного света она вырабатывает напряжение, которым заряжается миниатюрный аккумулятор. В ночное время аккумулятор отдает накопленную за день электроэнергию светодиоду (рис.5).
Рис.5.
В последнее время солнечные батареи используются для создания солнечных электростанций и получения энергии в жилых домах ( рис.6).
Рис.6.