Оптичні характеристики ФЕП на основі кремнію

Відношення освітленості Е₁ до Е₀ і дасть нам абсолютний коефіцієнт відбиття поверхні вимірювального зразка:  R = Е₁ / Е₀.

Оптична схема, що пояснює  принцип вимірювання вищезазначеним способом наведена на рис. 2. 2.

Рис. 2. 2. – Оптична схема фотометра ФО-1.

 

Випромінювання від  джерела світла 1 попадає на конденсор 2, який переносить зображення джерела випромінювання у площину польової діафрагми 3. Польова діафрагма усуває вплив відблисків колби джерела світла. Потім світловий потік проходить змінну діафрагму 4, зображення якої за допомогою об’єктива 5 та дзеркала 10 переноситься у площину вимірювального зразка 11. Залежно від розміру зразка діаметр світлової плями в площині вимірювального зразка може змінюватись і мати значення 30, 18, 12 мм.

Випромінювання, яке розсіялося у сфері, надходить на приймачі випромінювання 15,16 через віконця закриті молочними стеклами 14, 17.

У випадку виміру коефіцієнта  пропущення зразків, які дифузно  розсіюють світло 7, вводять екран 9, що запобігає можливості надходження  на приймач випромінювання прямої складової  потоку розсіяного безпосередньо зразками.

Для виділення вузької  ділянки спектру при вимірюванні  спектральних оптичних коефіцієнтів вводяться  по черзі світлофільтри 6. Дзеркало 13 встановлене для спостереження  за положенням зразка. Дзеркало 10 розташоване  всередині сфери і може обертатися навколо своєї осі та займати три фіксованих положення: “калібрування 1”, “калібрування 2”, ”вимірювання” [1].

 

2.2. Підготовка фотометра ФО-1 до роботи

1. Включити клавіші 1:10 нижнього ряду та 1:20 верхнього ряду “Калібрування – грубо” для ступеневого регулювання вимірювальної системи (рис 10).
2. Включити тумблер “Мережа”, при цьому повинна загорітися сигнальна лампа.
3. Включити тумблер “Модулятор”. Витримати прилад у такому стані не менше 20 хв.

 

2.3. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом

Установити:

• Ручку “Шторка” в положення “Відкрито”.
• Ручку “Екран” в положення “Виведений”.
• Зняти з предметного столика кришку, що закриває світлопастку.
• Ручку “Дзеркало” в положення “Вимір”.
• Ручкою “Установка 0” встановити значення (00.0±0.1) за цифровим вольтметром.
• Ручку “Дзеркало” переключити в положення “Калібрування 1”.
• Ручками “Калібрування” встановити число 100 за цифровим вольтметром.
• Розмістити вимірювальний зразок на предметному столику 11.
• Ручку “Дзеркало” в положення “Вимір”.
• Ручкою “Установка 0” знов установити (00.0±0.1) за цифровим вольтметром.
• Ручкою переключення “Дзеркала” встановити положення “Калібрування-1” і зняти відлік.

Одержаний відлік відповідає значенню інтегрального коефіцієнта  відбиття вимірювального зразка у відсотках. Вимір проводити не менше трьох разів, провести аналіз отриманих результатів [1].

 

2.4. Вимір спектральних коефіцієнтів відбиття

Проводиться за допомогою набору спеціальних світлофільтрів 14, які є складовою частиною приладу, виділяють вузьку область спектра випромінювання і знімають показання цифрового вольтметра для цих значень довжини хвилі.

Підготовка приладу  до виміру спектральних оптичних коефіцієнтів для різних значень довжини хвилі  кожен раз повторюється [1].

 

2.5. Висновок

Вимір коефіцієнта відбиття (R) кремнію відбувається за допомогою фотометру відбиття ФО-1, котрий працює в області світлового спектру від 364нм до 927нм. Експеримент виконується за абсолютним методом в основу якого покладений метод Тейлора. При проведенні експерименту дотримуватися правил експлуатації та алгоритму дій. При завершенні експерименту за отриманими даними побудувати графіки залежності коефіціента відбиття від довжини падаючиго світла.

 

 

 

 

 

 

РОЗДІЛ 3

 

РЕЗУЛЬТАТИ ТА АНАЛІЗ

 

3.1 Результат досліду

Експеримент проводився на 5 різних зразках кремнієвих платин:

• КДБ-25 (шліф./ полір.)
• КДБ-20 (шліф./ полір.)
• КДБ-1.5 (текстур.)
• КДБ-0.2 (шліф./ полір.)
• КЭМ 0.7 (полір.)
• КЭМ 0,003 (шліф.)

де:

шліф.-шліфована поверхня кремнієвої пластини;

полір.- полірована поверхня кремнієвої пластини;

текстур.- текстурована поверхня кремнієвої пластини;

КДБ-N - кремній (індекс К), отриманий методом Чохральського, діркового типу електропровідності (індекс Д), легований бором (індекс Б),  N- питомий опір, Ом.см;

КЕМ N - кремній(індекс К), одержаний методом Чохральського, електронного типу електропровідності (індекс Е), ​​легований миш’яком (індекс М), N- питомий опір, Ом.см

Під час досліду замірявся  коефіціент відбиття (R) абсолютним методом для кожної з представлених видів кремнієвих пластин. Проводилися виміри R на довжинах хвиль випромінюваного світла (λ) (364-927)нм.

В результаті досліду  експериментальним шляхом були отримані наступні данні приведенні в таблиці 3.1.

 

 

 

Таблиця 3.1

Значення коефіцієнта  відбиття пластин на основі кремнію

λ нм	КДБ-25		КДБ-20		КДБ-0.2		КЭМ		КДБ-1.5
	шліф.	полір.	шліф.	полір.	шліф.	полір.	шліф.0,003	полір. 0.7	текстур.
364	62	65	66	74	64	73	72	73	42
400	37	57	40	47	39	47	44	47	12
457	32	44	33	39	33	39	36	39	11
490	34	41	33	39	35	39	35	39	13
520	33	42	34	38	34	38	35	38	14
620	31	35	31	34	32	34	33	34	19
750	29	34	30	33	31	34	33	33	21
832	32	33	31	33	30	33	32	33	22
874	31	36	30	34	31	33	33	33	22
927	51	54	52	52	52	54	53	54	47

 

3.2 Аналіз досліду

Після проведення досліду, використовуючи отриманні дані будуються  графіки залежності коефіцієнта відбиття від довжини хвилі випромінюваного світла для полірованих, шліфованих та текстурованих пластин кремнію.

 

3.2.1. Шліфовані кремнієві пластини. На графіку видно (рис. 3.1), що криві залежності схожі між собою і мають спільні точки перетину, що пов’язано з похибкою вимірювання. Всі досліджуванні елементи в довжинах хвиль  (420÷874)нм мають майже лінійну залежність, котра варіюється в межах значень коефіцієнта відбиття від 30% до 36%.

ЭКЭМ 0.003 в порівнянні з іншими використовуваними зразками має найбільший коефіцієнт відбиття на всіх використовуваних довжинах хвиль світла. Це пов’язано з високою концентрацією вільних носіїв заряду в зразку у зв’язку з високим ступенем легування домішками. Найменше значення R досягнуто при λ(832) нм =32%, найбільше при λ(364)нм=72%. 

КДБ-25 має найменший  коефіцієнт відбиття з представлених  шліфованих кремнієвих пластин, оскільки мають найменшу концентрацію домішок (найбільший питомий опір). Найменше значення R досягнуто при λ(874)нм =31%, найбільше при λ(364)нм =62%.

КДБ-20 та КДБ-0.2 мають близькі значення і тому криві у них майже однакові. Найменше значення R(КДБ-20) досягнуто при λ(874)нм=30%, найбільше при λ(364)нм=66%. Найменше значення R(КДБ-0.2) досягнуто при λ(832)нм=30%, найбільше при λ(364)нм=64%.

3.2.2. Поліровані кремнієві пластини. З графіка видно (рис. 3.2), що криві пластин КДБ-20, КДБ-0.2 та КЭМ 0.7 мають ідентичні значення коефіцієнта відбиття в межах довжин хвиль з 364нм до 595нм. Далі спостерігається розходження значень (595÷900)нм і сходження кривих в одну точку λ(927)нм=54%. Найменше значення R(КДБ-20) досягнуто при λ(750)нм=33%, найбільше при λ(364)нм=74%. Найменше значення R(КДБ-0,2) досягнуто при λ(832)нм=33%, найбільше при λ(364)нм=73%.

Найменше значення R(КЭМ 0,7) досягнуто при  λ(750)нм=33%, найбільше при λ(364)нм=73%. Найменше значення R(КДБ-25) досягнуто при λ(832)нм=33%, найбільше при λ(364)=65%.

3.2.3.Текстурована кремнієва пластина. Зразком текстурованої кремнієвої пластини використовується КДБ-1.5. При довжині хвилі λ(364)нм коефіцієнт відбиття дорівнює 42%. Потім спостерігається різке падіння графіку (рис. 3.3), що пояснюється максимальним поглинанням фотонів пластиною кремнію, при λ(457)нм R досягає свого мінімуму 11%. В проміжку (490÷874)нм спостерігається плавне збільшення коефіцієнта. R досягає максимуму при λ(927)нм=47%.

3.2.4. Порівняння. Всі досліджуванні пластини в довжинах хвиль 364нм та 927нм стрибкоподібно змінюють свої значення в сторону збільшення коефіцієнта поглинання, з чого можна зробити висновок про неефективність поглинаня даних спектрів випромінювання, тобто R  при даних λ найбільший.

При порівнянні між собою  отриманих графіків спостерігається  схожість шліфованих та полірованих  пластин, хоча й в проміжку (300÷620)нм шліфовані пластини мають коефіцієнт відбиття приблизно на 5% менший від значень полірованих пластин, що пояснюється кращим поглинанням світла шліфованої поверхні над полірованою. Коефіцієнт відбиття світла текстурованої пластини в порівнянні зі всіма зразками виявився найменшим R=11% , тобто частка між відбитим світлом та світлом падаючим на поверхню складає 0,11. Це пояснюється тим, що регулярна система нерівностей поверхні буде збільшувати вірогідність відбитого світла поглинутися матеріалом, а не відбитися в оточуюче середовище.

 Використання фотоелектричних  перетворювачів із текстурованою  поверхнею збільшує вірогідність  поглинання фотонів, тобто таку  поверхню доцільно використовувати  при створенні високоефективних  фотоелектричних перетворювачів.

 

Рис. 3.1. Графік залежності коефіцієнта відбиття R від довжини хвилі λ для шліфованих пластин кремнію.

Рис. 3.2. Графік залежності коефіцієнта відбиття R від довжини  хвилі λ для полірованих пластин  кремнію.

Рис. 3.3. Графік залежності коефіцієнта відбиття R від довжини хвилі λ для текстурованої пластини кремнію. 

ВИСНОВОК

 

Під час вивчення літературних даних за темою курсової роботи склалася загальна уява про оптичні характеристики ФЕП. Головним чином згадувалися оптичні втрати та методи їх запобігання, котрі відіграють важливу роль в роботі фотоелектричного перетворювача. Розглянуто текстурування поверхні, як один з ефективних методів зменшення коефіцієнта відбиття, та його залежність від довжини хвилі випромінюваного світла.

Метою експерименту було визначити коефіцієнт відбиття шліфованих, полірованих та текстурованих пластин кремнію в довжинах хвиль визначеними технічними параметрами фотометра відбиття ФО-1, та за отриманими даними побудувати графіки залежності.

В результаті порівняння між собою отриманих графікив спостерігалась схожість даних шліфоварих та полірованих пластин, котрі варіювалися в межах занчень коефіціента відбиття (30-40)% та результативність використання текстурованої пластини, R котрої змінювалися в межах (10-20)%. Експериментом було доведено, що зменшення коефіцієнта відбиття сприяє збільшенню кількості носіїв заряду, тобто підвищеню ККД ФЕП.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список  використаних джерел

 

1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ФО – 1.
2. Цибуленко,В.; Агбомассу,В.; Вплив оптичних характеристик фотоелектричних перетворювачів на їхню ефективність// Вісник Львівського університету. Серія фізична. — Випуск 34. — Львів, 2001. — С.308-314
3. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. – М.: Наука, 1985. – 280 с.
4. Андреев В.М., Грилихес В.А., Румянцев В.Д. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. – Л.: Наука, 1989. – 310 с.
5. http://pvcdrom.pveducation.org
6. http://fdtd.kintechlab.com/ru/ar
7. Фотоприемники и фотопреобразователи (сборник научных трудов). – Л.: Наука, 1988. – 296 с.
8. Колтун М.М. Солнечные элементы. – М.: Наука, 1987. – 192 с.
9. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И.Д. Анисимова, И.М. Викулин, Ф.А. Заитов, Ш.Д. Курмашев. – М.: Радио и связь, 1984. – 216с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Додаток А

Вигляд текстурованих  пластин

 

           

Рис. А.1. Ділянки поверхні монокремнієвих пластин в сильному збільшенні після текстурування. Зліва показаний вид зверху, а правіше вид під кутом.

 

 

Рис. А.2. Фотографія текстурованою поверхні кремнію, зроблена методом скануючої електронної мікроскопії.