Warto przeczytać

Czym jest światło?

Światło ma dwoistą naturę – korpuskularno‑falową. W jednych zjawiskach zachowuje się jak fala, w innych jak zbiór cząstek – fotonów, poruszających się w próżni z prędkością światła.

Światło to fala elektromagnetyczna, czyli rozchodzące się zaburzenie pola elektrycznego i magnetycznego.

Falę elektromagnetyczną charakteryzuje:

• częstotliwość $\nu$, czyli liczba pełnych zmian pola magnetycznego i elektrycznego w ciągu jednej sekundy, wyrażona w hercach (Hz),

• okres $T$, czyli odwrotność częstotliwości,

• długość fali $\lambda$, czyli odległość między sąsiednimi punktami, w których pole elektryczne i magnetyczne mają taką samą fazę (Rys. 1.).

Wielkości te są ze sobą związane: im większa jest częstotliwość, tym mniejsza długość fali:

gdzie $c$ jest prędkością światła równą 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s.

RsLTQ1J5rnlyl

Rys. 1a. Na rysunku jest układ współrzędnych, na którego osi poziomej odłożono odległość oznaczoną literą małe x, a na osi pionowej natężenie pola elektrycznego oznaczone literą wielkie E. Wykres to sinusoida zaczynająca się w punkcie przecięcia osi. Odległość punktu maksymalnego sinusoidy od osi poziomej zaznaczono pionowym odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i podpisanym słowem amplituda. Odległość między kolejnymi maksimami sinusoidy zaznaczono poziomym odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i podpisanym słowami długość fali, grecka litera małe lambda.
Rys. 1b. Na rysunku jest układ współrzędnych, na którego osi poziomej odłożono czas oznaczony literą małe t, a na osi pionowej natężenie pola elektrycznego oznaczone literą wielkie E. Wykres to sinusoida zaczynająca się w punkcie przecięcia osi. Odległość punktu maksymalnego sinusoidy od osi poziomej zaznaczono pionowym odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i podpisanym słowem amplituda. Odległość między kolejnymi maksimami sinusoidy zaznaczono poziomym odcinkiem zakończonym z obu stron strzałkami i podpisanym słowem okres, litera wielkie T.

Jednocześnie możemy opisać światło jako zbiór cząstek, zwanych fotonami. Energia fotonu związana jest z częstotliwością i długością fali elektromagnetycznej wzorem:

gdzie $\nu$ jest częstotliwością fali, $\lambda$ – długością fali, $c$ = 3 · 10Indeks górny 8⁸ m/s – prędkością światła, $h$ – stałą Plancka, $h$ = 6,63 · 10Indeks górny -34^-34 J·s lub 4,14 · 10Indeks górny -15^-15 eV·s.

Czym jest natężenie światła?

Natężenie światła jest wielkością, która charakteryzuje oświetlenie danej powierzchni. Jest to moc światła (mierzona w watach, W) padającego na jednostkę powierzchni (energia promieniowania przypadająca na jeden metr kwadratowy i na jedną sekundę).

Natężenie światła słonecznego na powierzchni ziemi zależy oczywiście od lokalizacji, warunków pogodowych i poziomu zanieczyszczenia powietrza. Jeśli pominiemy te różnice, możemy założyć, że średnie natężenie światła słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi wynosi około 1000 W/mIndeks górny 2².

Czy energii słonecznej wystarczy na zaspokojenie zapotrzebowania ludzkości na energię?

Całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi w ciągu godziny jest 860 tysięcy razy większa niż roczne światowe zapotrzebowanie na energię. (https://www.borntoengineer.com/can-the-world-be-powered-by-solar-alone)

Czym jest ogniwo słoneczne?

Ogniwo słoneczne to urządzenie elektroniczne (dioda zbudowana z półprzewodników), które przetwarza promieniowanie słoneczne bezpośrednio w prąd elektryczny.

Co to jest półprzewodnik?

Półprzewodnik jest materiałem, który słabo przewodzi prąd, czyli jego opór ma znacznie większą wartość niż dla metali, ale w pewnych warunkach staje się dobrym przewodnikiem. Pierwiastkami najczęściej stosowanymi jako półprzewodniki są krzem i german. Ich atomy mają cztery elektrony walencyjne i w kryształach tworzą wiązania kowalencyjnewiązanie kowalencyjnewiązania kowalencyjne z czterema sąsiednimi atomami. Elektrony tworzące wiązania nie są swobodne i nie mogą być nośnikami prądu. Może zdarzyć się jednak, że elektron w wyniku uzyskania energii od drgających atomów sieci krystalicznej, uwolni się z wiązań międzyatomowych, stając się elektronem swobodnym. Po oderwanym elektronie pozostaje dziura, w którą mogą przeskakiwać elektrony z sąsiednich wiązań. W ten sposób dziura przemieszcza się przeciwnie do kierunku ruchu przeskakującego elektronu. Ruch ten opisuje się jako ruch dodatniego nośnika prądu – dziury. Można zatem przyjąć, że w półprzewodniku pojawiają się swobodne elektrony i dziury, o ładunkach odpowiednio ujemnym i dodatnim, które umożliwiają przewodzenie prądu. Jednak w temperaturze pokojowej tych nośników jest bardzo mało i materiał praktycznie nie przewodzi prądu. Stosunkowo łatwo jest zmniejszyć opór półprzewodnika o kilka rzędów wielkości, dzięki czemu staje się całkiem dobrym przewodnikiem. Można to osiągnąć przez zastąpienie niektórych atomów materiału atomami innych pierwiastków, zwanych domieszkami. Stosowane są dwa rodzaje domieszek:

• domieszki typu n (ang. negative – ujemny),

• domieszki typu p (ang. positive – dodatni).

Czym jest półprzewodnik typu n?

Jeśli domieszkami krzemu są atomy o pięciu elektronach walencyjnych (np. fosfor lub arsen), to atomy te wykorzystują do tworzenia wiązań cztery elektrony, a dodatkowy elektron jest słabo związany i łatwo uzyskuje energię od drgających cieplnie atomów sieci krystalicznej wystarczającą do tego, aby stał się elektronem swobodnym. W temperaturze pokojowej praktycznie wszystkie nadmiarowe elektrony domieszek są elektronami swobodnymi, stając się tak zwanymi nośnikami większościowymi.

Czym jest półprzewodnik typu p?

Jeśli do krzemu dodamy atomy o trzech elektronach walencyjnych, na przykład bor lub glin, to zabraknie jednego elektronu do utworzenia wiązań z atomami krzemu. Powstanie dziura, w którą mogą przeskakiwać pobliskie elektrony. Dziura przesuwa się więc w przeciwną stronę niż elektrony. Skutek jest taki, jakby w materiale powstały swobodne dodatnie ładunki +e. Dziury w półprzewodniku typu p są dodatnimi, większościowymi nośnikami prądu.

Czym jest złącze p‑n?

Co się stanie, gdy połączymy półprzewodnik typu p z półprzewodnikiem typu n? Uzyskamy złącze, w którym po stronie p mamy wysoką koncentrację dziur, a po stronie n wysoką koncentrację swobodnych elektronów. Różnica koncentracji nośników samorzutnie zmniejsza się na skutek zjawiska dyfuzjidyfuzjadyfuzji. Elektrony przepływają z półprzewodnika typu n do p, a dziury z półprzewodnika typu p do n (Rys. 2a.). Po obu stronach złącza elektrony spotykają się z dziurami i dochodzi do ich połączenia – tak zwanej rekombinacji. Inaczej mówiąc, elektrony wpadają w dziury i oba nośniki prądu znikają. Powoduje to powstanie na granicy rozdziału półprzewodników przestrzennego rozkładu ładunku. Po stronie n powstaje nadwyżka ładunku dodatniego, a po stronie p – ujemnego (Rys. 2b.). Gdy ten przestrzenny rozkład ładunku osiągnie stan równowagi, tworzy się bariera potencjału blokująca dalszy przepływ ładunków przez złącze. Połączone półprzewodniki typu p i n nazywamy złączem p‑n lub diodą półprzewodnikową.

RxYpX6ATfhTdD

Rys. 2a. Na rysunku znajdują się 2 poziome prostokąty złączone krótszymi bokami. Lewy prostokąt podpisany jest jako półprzewodnik typu n, prawy prostokąt podpisany jest jako półprzewodnik typu p. W prostokątach narysowano wiele małych kulek. Niebieskie kulki ze znakiem minus symbolizują ujemne nośniki prądu – elektrony. Czerwone kulki ze znakiem plus symbolizują dodatnie nośniki prądu – dziury. W lewym prostokącie, czyli półprzewodniku typu n, jest przewaga elektronów, w prawym półprzewodniku typu p, przewaga dziur. Do kilku elektronów znajdujących się blisko złącza w półprzewodniku typu n przyłożone są wektory prędkości skierowane w prawo w kierunku złącza, co pokazuje kierunek dyfuzji elektronów do półprzewodnika typu p. Do kilku dziur znajdujących się blisko złącza w półprzewodniku typu p przyłożone są wektory prędkości skierowane w lewo w kierunku złącza, co pokazuje kierunek dyfuzji dziur do półprzewodnika typu n.
Rys. 2b. Na rysunku znajdują się te same 2 poziome prostokąty złączone krótszymi bokami, co na rysunku 2a. Pokazana jest sytuacja po osiągnięciu stanu równowagi. W pobliżu złącza zgromadzone są ładunki. Po lewej stronie złącza, w półprzewodniku typu n, narysowano wiele czerwonych kulek z plusami, które symbolizują dziury. Po prawej stronie złącza, w półprzewodniku typu p, narysowano wiele niebieskich kulek z minusami, które symbolizują elektrony. W częściach półprzewodników oddalonych od złącza sytuacja jest podobna jak na rysunku 1a. W lewym prostokącie, czyli półprzewodniku typu n, jest przewaga elektronów, w prawym półprzewodniku typu p, przewaga dziur.

Jak światło oddziałuje z półprzewodnikiem?

Foton o dostatecznie dużej energii, większej od energii progowej, wnikający do półprzewodnika, może przekazać swoją energię elektronowi unieruchomionemu w wiązaniu kowalencyjnym, w wyniku czego elektron staje się elektronem swobodnym, a w wiązaniu pojawia się dziura. Jest to zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne – w odróżnieniu od zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego elektrony nie opuszczają materiału, ale pozostają w nim w stanie wzbudzonym. Powstają dodatkowe pary nośników elektron–dziura, zwane foto‑nośnikami. Pary elektron–dziura szybko ulegają rekombinacji. Aby wykorzystać energię powstałych foto‑nośników, należy je rozdzielić, aby nie uległy rekombinacji i mogły być skierowane do obwodu zewnętrznego, gdzie wykonałyby użyteczną pracę.

Jak rozdzielić elektrony i dziury?

Wyobraźmy sobie, że wygenerowana przez foton para elektron–dziura pojawia się w polu elektrycznym. Na każdy ładunek $q$ znajdujący się w polu elektrycznym o natężeniu $E$ działa siła $F$ o wartości:

Elektrony i dziury mają przeciwne ładunki, poruszają się więc w przeciwnych kierunkach. Pole elektryczne rozdziela pary elektron–dziura. W ogniwie słonecznym wykorzystuje się do tego celu pole elektryczne, jakie powstaje w obszarze złącza p‑n.

Jak działa ogniwo słoneczne?

Sercem najpopularniejszych krzemowych ogniw słonecznych jest złącze p‑n o bardzo wąskim obszarze (około 1 μmum), w którym występuje silne wewnętrzne pole elektryczne (o natężeniu około 1 MV/m). W istocie ogniwo słoneczne jest diodą półprzewodnikową o wielkiej powierzchni.

W półprzewodniku oświetlonym światłem słonecznym powstają pary foto‑nośników: elektronów i dziur. Gdy nośniki te znajdą się w obszarze złącza p‑n, silne pole elektryczne przyspiesza je w przeciwne strony. Elektrony poruszają się w kierunku półprzewodnika n, a dziury w kierunku półprzewodnika p (Rys. 3.). Pod wpływem oświetlenia na styku dwóch materiałów powstaje więc siła elektromotoryczna. Zjawisko to nazywamy zjawiskiem fotowoltaicznym. Wystarczy połączyć przewodnikiem końcówki diody, aby popłynął w nim prąd i zasilił jakieś urządzenie, na przykład żarówkę.

RQPfbeyUnXvdM

Rys. 3. Na rysunku pokazano obszar złącza p‑n. Poziomy prostokąt przedzielony jest w środku pionowym przerywanym odcinkiem, symbolizującym złącze dwóch półprzewodników. Lewa część prostokąta podpisana jest jako półprzewodnik typu n, prawa część podpisana jest jako półprzewodnik typu p. Po obu stronach złącza narysowano w równych odległościach 2 pionowe odcinki. Przy lewym odcinku zapisano plusy, co ma symbolizować dodatni ładunek zgromadzony w tym obszarze. Przy prawym odcinku zapisano minusy, co ma symbolizować ujemny ładunek zgromadzony w tym obszarze. Między pionowymi odcinkami narysowano poziome strzałki skierowane w prawo, które podpisane są jako linie pola elektrycznego. Na tle linii pola narysowano dwie kulki. Do niebieskiej kulki z minusem symbolizującej elektron przyłożony jest wektor prędkości skierowany poziomo w lewo i podpisany słowami: kierunek ruchu elektronu. Do czerwonej kulki z plusem symbolizującej dziurę przyłożony jest wektor prędkości skierowany poziomo w prawo i podpisany słowami: kierunek ruchu dziury.

Na Rys. 4. pokazana jest budowa i zasada działania ogniwa słonecznego.

R1L3DLT2fRv5I

Rys. 4. Rysunek przedstawia ogólny schemat budowy ogniwa słonecznego, które składa się z dwóch poziomych, złączonych warstw materiałów. Górna warstwa podpisana jest jako krzem typu n, dolna warstwa podpisana jest jako krzem typu p. Między warstwami narysowano poziomą kreskę podpisaną jako złącze p‑n. Nad ogniwem narysowano schematycznie słońce, którego promienie padają na górną powierzchnię ogniwa. Promienie te podpisane są słowami: fotony światła słonecznego. Mały fragment obszaru złącza p‑n pokazany jest na dodatkowym rysunku w dużym powiększeniu. Na tym rysunku po obu stronach poziomego odcinka symbolizującego złącze, narysowano po kilka niebieskich kulek z minusem symbolizujących elektrony oraz czerwonych kulek z plusem symbolizujących dziury. Kierunek ruchu elektronów w obszarze złącza pokazuje strzałka skierowana pionowo do góry i podpisana słowami: przepływ elektronów. Kierunek ruchu dziur w obszarze złącza pokazuje strzałka skierowana pionowo w dół i podpisana słowami: przepływ dziur. Obwód zewnętrzny przedstawiony jest symbolicznie w postaci żarówki, do której prowadzą przewody, których końce połączone są z górną i dolną powierzchnią ogniwa.

Jaka jest maksymalna wydajność konwersji ogniwa słonecznego?

Wydajność konwersji zdefiniowana jest jako stosunek mocy prądu wytwarzanego przez ogniwo do mocy promieniowania padającego. Przez konwersję rozumiemy tu zamianę energii promieniowania na energię elektryczną.

W przypadku zwykłych krzemowych ogniw słonecznych teoretyczna górna granica wydajności wynosi około 32%. Główne straty są spowodowane następującymi efektami:

• fotony o energii niższej niż progowa nie wybijają elektronów z wiązań, więc nie przyczyniają się do powstawania par elektron–dziura,

• fotony o energii wyższej niż progowa są absorbowane, ale część energii elektronów jest tracona jako ciepło, na skutek zderzeń wysokoenergetycznych elektronów z atomami sieci krystalicznej,

• niektóre pary elektron–dziura łączą się (rekombinują) przed rozdzieleniem.

Jak wyznaczyć eksperymentalnie wydajność ogniwa słonecznego?

Wydajność ogniwa słonecznego wyrażamy wzorem:

gdzie $P_{el}$ jest mocą elektryczną dostarczaną przez ogniwo, a $P_{0}$ – mocą światła padającego na powierzchnię ogniwa (zgodnie z normami międzynarodowymi jako standard przyjmuje się $P_{0}$ = 1000 W/mIndeks górny 2²).

Moc elektryczna to iloczyn natężenia prądu $I$ i napięcia $U$:

gdzie $I$ to natężenie prądu płynącego przez obwód zewnętrzny (odbiornik prądu), $U$ to napięcie, jakie odkłada się na obwodzie zewnętrznym.

Zazwyczaj moc ogniwa $P_{el}$ oblicza się wykorzystując eksperymentalną charakterystykę prądowo‑napięciową oświetlonego ogniwa słonecznego (Rys. 5a.). Rozważmy dwie skrajne sytuacje:

1. obwód zewnętrzny jest otwarty, przez oświetlone ogniwo nie płynie prąd (opór jest nieskończony), a napięcie ma maksymalną wartość $U_{o}$ (o – otwarty obwód).

2. obwód zewnętrzny jest zwarty, czyli opór równy jest zeru, więc i napięcie równe jest zeru. Przez oświetlone ogniwo płynie prąd o maksymalnej wartości $I_{z}$ (z – zwarty obwód).

Można by pomyśleć, że maksymalna moc to $I_{z}\cdot U_{o}$. Jednak w obu przypadkach, obwodu otwartego i zwartego, żadna energia nie jest generowana, ponieważ $P_{el}=0\cdot U_{o}=I_{z}\cdot0=0$. Z drugiej strony, dla pewnej wartości oporu zewnętrznego $R$ ($0 \lt R \lt \infty$) moc ogniwa $P_{el}=I\cdot U$ przybiera największą wartość. Ten punkt, zwany punktem mocy maksymalnej, można łatwo wyznaczyć, sporządzając wykres mocy ogniwa $P_{el}=I\cdot U$ w zależności od napięcia $U$ (Rys. 5b.). Wydajność ogniwa słonecznego można wyznaczyć ze wzoru:

Wprowadziliśmy tu parametr $FF$, zwany współczynnikiem wypełnienia (ang. Filling Factor), trzeci ważny parametr charakteryzujący ogniwo słoneczne. Reprezentuje on stosunek pola prostokąta o bokach $I_{max}$ i $U_{max}$ (prostokąt wyznaczony przez czerwone linie na Rys. 5a. do pola prostokąta o bokach $I_{z}$ i $U_{o}$ (prostokąt wyznaczony przez niebieskie linie na Rys. 5a.).

Ogniwo ma tym większą wydajność, im bardziej jego charakterystyka prądowo‑napięciowa jest zbliżona do niebieskich linii.

Rl2Sp6ZeYsPUS

Rys. 5a. Na rysunku jest prostokąt, którego poziomy, dolny oraz pionowy, lewy bok są osiami układu współrzędnych. Na osi poziomej odłożono napięcie w woltach w zakresie od zera do 0,8 wolta, a na osi pionowej natężenie prądu w jednostkach dowolnych. Na osi pionowej zaznaczono 2 punkty. Pierwszy to punkt leżący blisko osi poziomej i wyznaczający wartość natężenia w obwodzie zwartym, oznaczoną literą wielkie i z indeksem dolnym z. O tego punktu poprowadzono w prawo poziomą, niebieską linię przerywaną. Drugi punkt leży nieco wyżej na osi pionowej i wyznacza wartość natężenia, oznaczoną literą wielkie i z indeksem dolnym maks. Jest to wartość natężenia, gdy w obwodzie wydzielana jest maksymalna moc. Od drugiego punktu poprowadzono w prawo poziomą, czerwoną linię przerywaną. Na poziomym, górnym boku prostokąta również zaznaczono 2 punkty. Pierwszy to punkt leżący blisko prawego boku prostokąta i wyznaczający wartość napięcia w obwodzie otwartym, oznaczoną literą wielkie U z indeksem dolnym o. O tego punktu poprowadzono w dół pionową, niebieską linię przerywaną. Drugi punkt leży nieco dalej na lewo od pierwszego punktu i wyznacza wartość napięcia, oznaczoną literą wielkie U z indeksem dolnym maks. Jest to wartość napięcia, gdy w obwodzie wydzielana jest maksymalna moc. Od drugiego punktu poprowadzono w dół pionową, czerwoną linię przerywaną. Wykres zaczyna się na osi pionowej w punkcie oznaczonym literą wielkie i z indeksem dolnym z. Początkowo wykres pokrywa się z poziomą, niebieską linią przerywaną, a od wartości około 0,2 wolta zaczyna wznosić się łagodnie w górę. Wykres przechodzi przez punkt przecięcia czerwonych, przerywanych linii i dalej dla rosnących wartości napięcia wznosi się stromo w górę, stycznie do niebieskiej przerywanej, pionowej linii.

RqF1Fzg1Z69t1

Rys. 5b. Na rysunku jest prostokąt, którego poziomy, dolny oraz pionowy, lewy bok są osiami układu współrzędnych. Na osi poziomej odłożono napięcie w woltach w zakresie od zera do 0,8 wolta, a na osi pionowej moc ogniwa w jednostkach dowolnych. Wykres zaczyna się w punkcie przecięcia osi i początkowo ma kształt zbliżony do odcinka nachylonego ukośnie w górę i w prawo. Od wartości napięcia około 0,4 wolta wykres zaczyna odchylać się w dół od poprzedniego kierunku. Dla wartości napięcia nieco większej niż 0,6 wolta wartość mocy osiąga maksimum, a dla jeszcze większych wartości napięcia wykres stromo opada w dół do osi poziomej. Punkt w maksimum wykresu oznaczony jest literą wielkie P z indeksem max. Od tego punktu poprowadzono linię pionową do przecięcia z osią poziomą. Punkt przecięcia linii z osią oznaczony jest literą wielkie V z indeksem max.

Eksperyment

Aby doświadczalnie wyznaczyć parametry charakteryzujące ogniwo słoneczne, potrzebne będą:

• ogniwo słoneczne (na przykład wymontowane z ogrodowej lampy solarnej),

• woltomierz do mierzenia napięcia w zakresie do 10 V,

• miliamperomierz do mierzenia natężenia prądu w zakresie do 50 mA,

• opornik suwakowy,

• lampa halogenowa z zasilaczem 24 V,

• uchwyt do lampy halogenowej.

Umieść lampę halogenową kilka centymetrów nad ogniwem tak, aby było równomiernie oświetlone.

1. Połącz obwód, jak na Rys. 6a. (obwód zwarty). Zmierz natężenie prądu i wypełnij pierwszy wiersz tabeli.

2. Wyznacz charakterystykę prądowo‑napięciową ogniwa. W tym celu połącz obwód, jak na Rys. 6b. Ustaw najmniejszy opór na oporniku suwakowym. Zmierz napięcie i natężenie prądu i zapisz w drugim wierszu tabeli. Zwiększaj stopniowo opór i powtarzaj pomiary napięcia i natężenia, zapisując wyniki w kolejnych wierszach tabeli. Zbliżając się do wartości $U_{o}$ dobrze jest zagęścić pomiary, zmniejszając krok na oporniku suwakowym (zwróć uwagę, że charakterystyka U‑I diody jest nieliniowa).

3. Połącz obwód, jak na Rys. 6c. (obwód otwarty). Wynik zapisz w ostatnim wierszu tabeli.

RcdIZ8ScugxoQ

Rys. 6a. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt oraz miliamperomierz połączony bezpośrednio z ogniwem. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa.

RQyOBveB1FL56

Rys. 6b. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa. Ogniwo połączone jest szeregowo z miliamperomierzem oraz opornikiem suwakowym. Do końców opornika podłączony jest równolegle woltomierz.

RyEJQQ2HSSrC4

Rys. 6c. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt oraz woltomierz połączony bezpośrednio z ogniwem. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa.

Nr	Napięcie [V]	Natężenie [mA]	Moc [mW]
1
2

Opracowanie wyników

1. Dla każdego wiersza tabeli oblicz moc $P=U\cdot I$ i wpisz w ostatniej kolumnie.

2. Wykonaj wykresy zależności natężenia od napięcia $I(U)$ oraz mocy od napięcia $P(U)$, korzystając z Excela lub innego programu.

3. Z wykresu $P(U)$ wyznacz maksymalną moc i napięcie $U_{max}$, przy którym moc jest maksymalna. Znajdź punkt maksymalnej mocy ($U_{max}$, $I_{max}$) na wykresie $I(U)$.

4. Wyznacz wartość napięcia ogniwa otwartego $U_{o}$ i natężenia prądu ogniwa zwartego $I_{z}$.

5. Wyznacz współczynnik wypełnienia ze wzoru: $FF=\frac{I_{max}\cdot U_{max}}{I_{z}\cdot U_{o}}$.

Polecenie 1

Jeżeli umieścisz lampę halogenową kilka centymetrów nad ogniwem tak, aby było równomiernie oświetlone i połączysz obwód zwarty (Rys. 6a.), jesteś w stanie zmierzyć natężenie prądu i odczytać napięcie. Z jakiego wzoru skorzystasz, w celu wyznaczenia mocy?

RcdIZ8ScugxoQ

Rys. 6a. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt oraz miliamperomierz połączony bezpośrednio z ogniwem. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa.

uzupełnij treść

---

Pokaż odpowiedź

$P=U·I$

Polecenie 2

W celu wyznaczenia charakterystyki prądowo‑napięciowej ogniwa, połącz obwód, jak na Rys. 6b. Ustaw najmniejszy opór na oporniku suwakowym. Zmierz napięcie i natężenie prądu. Zwiększaj stopniowo opór i powtarzaj pomiary napięcia i natężenia, zapisując wyniki. Zbliżając się do wartości $U_{o}$ dobrze jest zagęścić pomiary, zmniejszając krok na oporniku suwakowym. Jakiego rodzaju charakterystyki się spodziewasz?

RQyOBveB1FL56

Rys. 6b. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa. Ogniwo połączone jest szeregowo z miliamperomierzem oraz opornikiem suwakowym. Do końców opornika podłączony jest równolegle woltomierz.

uzupełnij treść

---

Pokaż odpowiedź

Charakterystyka prądowo napięciowa diody jest nieliniowa.

Polecenie 3

A teraz połącz obwód, jak na Rys. 6c. Czym charakteryzuje się obwód otwarty?

RyEJQQ2HSSrC4

Rys. 6c. Na rysunku znajduje się obwód zawierający ogniwo fotowoltaiczne przedstawione symbolicznie jako długi, wąski prostokąt oraz woltomierz połączony bezpośrednio z ogniwem. Nad ogniwem narysowano płaski cylinder podpisany jako lampa halogenowa. Z lampy wychodzą promienie światła skierowane w dół do ogniwa.

uzupełnij treść

---

Pokaż odpowiedź

Kiedy obwód zewnętrzny jest otwarty, przez oświetlone ogniwo nie płynie prąd (opór jest nieskończony), a napięcie ma maksymalną wartość.

Słowniczek