Transcript Wstęp do laboratorium z fotowoltaiki

Ewa Popko
1
Emisja i absorpcja promieniowania
Podział widma i jednostki promieniowania elektromagnetycznego
Prawo Lamberta
Prawo Kirchhoffa
Prawa promieniowania ciała doskonale czarnego
Prawo Plancka
Spektrometry
Detektory promieniowania elektromagnetycznego
Klasyfikacja detektorów promieniowania elektromagnetycznego
Parametry detektorów
Pomiar charakterystyki spektralnej czułości detektora
Absorpcja światła słonecznego
Widmo promieniowania Słońca
Właściwości optyczne Si
Pomiary parametrów baterii słonecznej
Pomiar współczynnika absorpcji
Pomiar charakterystyki spektralnej czułości baterii
Pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej
2

Widmem promieniowania nazywa się ciąg
promieniowania uporządkowany wg.
długości fali, częstości lub energii fotonów.
Każde ciało stałe o T>0K emituje ciągłe
widmo promieniowania
elektromagnetycznego o wszelkich
długościach fal, lecz o różnych natężeniach.
3
Diagram przedstawiający zakresy
widmowe promieniowania
elektromagnetycznego
4
1.Energia promienista
- emitowana lub padająca na powierzchnię
2. Moc promienista (strumień)
- energia promieniowana emitowana lub padająca na powierzchnię w jednostce
czasu
[J]
[W]
[W/sr]
3. Natężenie promieniowania źródła światła (światłość)
-strumień promieniowania emitowany ze źródła do jednostkowego kąta
bryłowego
[W/m2]
4. Emitancja promieniowania ( całkowita zdolność emisyjna)
 Strumień promieniowania emitowany przez jednostkę powierzchni źródła
[W/m2sr]
5. Luminancja promieniowania (jaskrawość)
- strumień promieniowania emitowany przez jednostkę powierzchni źródła do
jednostkowego kąta bryłowego
[W/m2]
6. Natężenie napromieniowania
- strumień promieniowania padającego na jednostkę powierzchni
[J/m3]
5
1.Ilość światła
[lm s]
2. Strumień świetlny
[lm]
3. Światłość
[cd.]
= [lm/sr]
4. Emitancja świetlna
[lm/m2]
5. Luminancja
[nt]
= [cd/m2]
6. Natężenie oświetlenia
[lm/m2]
6

Powierzchnia źródła widziana pod kątem J jest równa dAcos J. Strumień
promieniowania d f emitowany przez to źródło do jednostkowego kąta
bryłowego dW wyraża się więc wzorem:

d f = Ln(J,n) dAcos J dn dW
7

Rozważmy teraz element powierzchni detektora dA’, znajdujący się w
odległości R od elementu powierzchni źródła dA. Element dA’ jest
widziany ze źródła w kącie bryłowym d W. Zatem dla R2>>dA, dA’
strumień promieniowania docierający do elementu dA’ jest równy:
8

Dla źródeł izotropowych, dla których luminancja nie zależy
od kąta
strumień promieniowania emitowanego do
jednostkowego kąta bryłowego jest proporcjonalny do
cosinusa kąta pomiędzy kierunkiem obserwacji a normalną
do powierzchni emitującej. Jest również proporcjonalny do
cosinusa kąta między kierunkiem obserwacji a normalną do
powierzchni detektora. Ponadto strumień ten zmienia się
odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu odległości między
źródłem a detektorem promieniowania. Dlatego to prawo,
zwane prawem Lamberta nazywa się również prawem
odwrotnych kwadratów.
9

Korzystając z tego prawa można pokazać, że
dla źródła lambertowskiego o powierzchni
emitującej dA, strumień promieniowania
padającego prostopadle na detektor
rozciągły, widoczny ze źródła pod kątem
aperturowym u wyraża się wzorem:

10

Do opisu promieniowania rzeczywistych ciał, wprowadza się dwie
funkcje, których kształt ustala się dla każdego ciała doświadczalnie. Są to
zdolność emisyjna ciała M i zdolność absorpcyjna A. Zdolność emisyjna
to strumień promieniowania emitowany przez jednostkę powierzchni
źródła. Jeśli odnieść ją do przedziału spektralnego Dl, to mówimy o
spektralnej zdolności emisyjnej .

Stopień absorpcji promieniowania określa zdolność absorpcyjna. Jest to
stosunek strumienia promieniowania zaabsorbowanego do strumienia
padającego na ciało. Jeśli odnieść ją do przedziału spektralnego Dl, to
mówimy o spektralnej zdolności absorpcyjnej .

Zarówno zdolność emisyjna jak i zdolność absorpcyjna zależą od
temperatury ciała, T. Dlatego spektralne zdolności: emisyjną i
absorpcyjną zwykle określa się jako funkcje długości fali i temperatury, i .
11

Wyobraźmy sobie układ ciał, które nie stykają się ze sobą i znajdują się w
pewnym układzie zamkniętym w którym panuje próżnia:

Jeśli wyjściowo temperatury tych ciał są różne, to jak pokazuje doświadczenie,
po pewnym czasie układ osiągnie stan równowagi i temperatury ciał wyrównają
się. Dzieje się tak dzięki wymianie – emisji i absorpcji – fotonów między ciałami.
Ciała o większej zdolności emisyjnej tracą w jednostce czasu więcej energii niż
ciała o mniejszej zdolności emisyjnej. Jeśli jednak pozostają w stanie równowagi
termodynamicznej z innymi ciałami, to oznacza to, że muszą również
odpowiednio więcej energii zaabsorbować w jednostce czasu.
12

W konsekwencji, stosunek spektralnej zdolności emisyjnej
do spektralnej zdolności absorpcyjnej ciał jest taką samą
funkcją długości fali i temperatury, niezależną od rodzaju
ciała:
13


Z prawa Kirchhoffa nie wynika oczywiście jaka jest postać funkcji f(l ,T).
Doświadczalne zbadanie postaci tej funkcji nie jest łatwe, gdyż wymaga
jednoczesnego pomiaru zdolności emisyjnej i zdolności absorpcyjnej
ciała. Dlatego też w rozważaniach dotyczących promieniowania
cieplnego wprowadza się pojęcie ciała, którego zdolność absorpcyjna dla
wszystkich długości fal i w każdej temperaturze jest równa jedności.
Oznacza to, że takie ciało, zwane ciałem doskonale czarnym (CDC),
absorbuje całkowicie padające nań promieniowanie, niezależnie od
długości fali i temperatury.
Dla CDC , al.(l,T) i zgodnie z prawem Kirchhoffa, zdolność emisyjna
CDC jest poszukiwaną funkcją f (l,T).
14
Układ pomiarowy służący do wyznaczania spektralnej zdolności emisyjnej CDC.
Wiązka promieniowania wychodząca z otworu wyjściowego CDC jest skupiana na
szczelinie wejściowej spektrometru. W spektrometrze znajduje się element
dyspersyjny ( pryzmat lub siatka dyfrakcyjna ) który rozszczepia światło na fale quasimonochromatyczne. To światło następnie jest kierowane na detektor
promieniowania. Sygnał na wyjściu tego detektora odwzorowuje spektralną
zdolność emisyjną CDC, czyli funkcję f ( l,T).
15
16
T1
T2
T3
T1  T2  T3
lmax  T = 2.90 103 m  K
17
18
Moc promieniowania CDC
(pole pod wykresem) rośnie
ze wzrostem temperatury
CDC:
∞
∅=
0
𝑒l 𝑑l = 𝜎𝑇 4
gdzie s = 5.7 10-8 W/(m2K4) i
nazywa się stałą Stefana Boltzmanna
19

Zgodnie z tym prawem, CDC o powierzchni A
i temperaturze T , które znajduje się
w otoczeniu o temperaturze T0 emituje
strumień promieniowania równy:
4
4
∅ = 𝐴𝜎(𝑇 − 𝑇0 )
20
W r.1900 Planck zaproponował wzór, który
świetnie opisuje promieniowanie CDC:
2 hc
I = 5 hc / l k T
B
l (e
 1)
2
h – stała, którą wyznaczył z dopasowania do danych
eksperymentalnych; obecnie znana jako stała Plancka
kB
- stała Boltzmana
21
CDC według Plancka
22

Założenia Maxa Plancka
 Energia promieniowania jest związana z częstością
promieniowania f wzorem:
E = nhf
▪ n jest liczbą naturalną, zwaną liczbą kwantową
 Molekuły wnęki CDC mogą absorbować i emitować energię w
postaci dyskretnych pakietów energii, nazwanych potem
„ fotonami”:
E = hf

W stanie równowagi energia powinna rozkładać się na poszczególne
oscylacje wg. prawa Boltzmanna. Prawdopodobieństwo tego, że energia
oscylacji o częstości n ma wartoś:ć en, określone jest wzorem:

Znając prawdopodobieństwo pojawiania się poszczególnych wartości
energii oscylacji, można znaleźć średnią wartość tej energii , <e>:
24


Niech teraz hn /kT =x, i załóżmy, że x może przyjmować wartości ciągłe.
Wówczas mamy:
Ponieważ

e
n =0
 nx
1
=
1  e x
to:
25
Dalej:

(*)
Można pokazać, że liczba fal stojących dnn mieszczących się w jednostce
objętości wnęki jest równa:
Jeśli na jedną falę przypada <e> wg wzoru (*), to gęstość energii na przedział
częstości dn :
26

Między zdolnością emisyjną 𝑒l a gęstością widmową 𝜌l istnieje
zależność:
𝜌l 𝑐
𝑒l =
4
ostatecznie wzór na emitancję spektralną CDC:
27
energia
n
energy
4hf
3hf
2hf
1hf
0
4
3
2
1
0
 poziomy energetyczne molekuł muszą być dyskretne
(skwantowane)
 dozwolone są jedynie przejścia ze zmianą energii równą
wielokrotności hf
 promieniowanie elektromagnetyczne jest dyskretne
(skwantowane)
28


Spektrometry pryzmatyczne
Spektrometry siatkowe
29
30
31
Dyspersja szkieł stosowanych na pryzmaty. Użyteczne zakresy
widmowe
32
33

Zależność spektralna współczynnika odbicia warstw metalicznych
stosowanych w optyce
34
A)
Świetlność przyrządu
B) Charakterystyka widmowa
C) Widmowa zdolność rozdzielcza - l/Dl
D) Przedział dyspersji – zakres długości fal Dl w
którym długość fali może być jednoznacznie
wyznaczona na podstawie położenia x(l).
35
a)
Załóżmy, że źródło światła o luminancji widmowej Ll oświetla spektrometr
który posiada szczelinę wejściową o powierzchni A. Jeśli spektrometr zbiera
strumień światła z kąta bryłowego W wówczas strumień przenoszony przez
spektrometr dany jest wzorem:
F(l)dl = LlAW T(l) dl
Wielkość U = AW nazywa się świetlnością spektrometru
36
W2 =
a W2 =
a
d22
d
W spektrometrach pryzmatycznych kąt
bryłowy jest równy:
ℎ𝑎
Ω= 2
𝑓
gdzie h jest wysokością pryzmatu zaś a –
jego szerokością efektywną (h jest
prostopadłe do płaszczyzny rysunku).
W spektrometrach siatkowych natomiast:
𝑎2
Ω= 2
𝑑
Gdzie a-średnica lustra, d- odległość lustra od szczeliny wejściowej
37
c)
Spektrometr pryzmatyczny
l 1 dn
R=
= g
Dl 3 d l
Spektrometr siatkowy
l
R=
= mN
Dl
N – liczba szczelin w siatce dyfrakcyjnej
38
39
40
d)
spektrometr pryzmatyczny
Przedział dyspersji pokrywa się z całym zakresem dyspersji
normalnej materiału z jakiego wykonany jest pryzmat.
spektrometr siatkowy
1
1
d sin 
l = d sin  ( 
)=
m m  1 m(m  1)
m – rząd ugięcia, d - stała siatki
41
Sygnał na wyjściu detektora zależy od długości fali (l),
powierzchni światłoczułej (A) i częstości modulacji (f).
Ponadto sygnał na wyjściu detektora zależy od warunków
pracy detektora: polaryzacji (niech opisuje to parametr b )
oraz mocy padającego promieniowania (P):
V = V ( b, f, l, P, A).
Często można rozdzielić powyższą funkcję następująco:
V = v ( b, P, A) u (l ) w ( f ).
Jeśli chodzi o moc promieniowania, to zwykle do testowania
detektorów stosuje się CDC o temperaturze 500K.
42
Parametry opisujące własności detektora powinny dać odpowiedź na
cztery podstawowe pytania:
a) jak zależy sygnał z detektora od długości fali promieniowania, czyli jak
wygląda jego charakterystyka widmowa;
b) jaka najmniejsza moc promieniowania padającego na detektor
spowoduje pojawienie się na jego wyjściu sygnału równego szumom
własnym detektora;
c) jaką uzyska się wielkość sygnału, jeśli na detektor pada jednostkowa
moc promieniowania;
d) jak zachowuje się detektor przy modulacji promieniowania.
43
Ad a)
Czułość napięciowa jest to stosunek wartości skutecznej
napięcia sygnału wyjściowego o częstotliwości podstawowej do
wartości skutecznej mocy promieniowania padającego o
częstotliwości podstawowej:
Vs (b, f , l ) V
Rv (b, f , l ) =
[ ]
( Pl Dl )l W
Gdzie
PlDl
jest
quasi
monochromatyczną
promieniowania o długości fali l, padającą na detektor.
mocą
44
Ad b)
Ekwiwalentna moc szumów ( NEP – ang. Noise equivalent
power ) jest to taka wartość skuteczna mocy promieniowania
padającego na detektor, która daje na wyjściu sygnał o wartości
skutecznej równej poziomowi szumu, znormalizowanego do
jednostkowej szerokości pasma:
Vn (b, f )
W
Vn (b, f ) Pl Dl
W
NEP(b, f,l ) =
[ 1/ 2 ] =
[ 1/ 2 ]
Df Rv (b, f , l ) Hz
Df Vs (b, f , l ) Hz
45

Parametrem który stosuje się do porównania detektorów o
różnej powierzchni, jest tzw. detekcyjność znormalizowana,
D*l. Jest to stosunek sygnału do szumu odniesiona do
jednostkowego strumienia promieniowania (padającego na
jednostkę powierzchni detektora) i jednostkowej szerokości
pasma przenoszenia:
Rv (b, f , l ) ADf Vs (b, f , l ) ADf cm Hz
A
D* (b, f,l ) =
=
=
[
]
NEP(b, f , l )
Vn (b, f )
Vn (b, f ) Pl Dl
W
46
Ad d)
Charakterystykę częstotliwościową detektorów fotonowych
można określić następującym wzorem:
w( f ) =
1
1  4 2 f 2t 2
gdzie t jest stałą czasową odpowiedzi detektora. Zwykle
definiuje się następująco:
1
t=
2 f 3db
gdzie f-3dB jest częstością przy której moc sygnału spada o 3dB
poniżej wartości niskoczęstotliwościowej.
47
Czułość detektora od częstotliwości.
48
49


Podział detektorów promieniowania elektromagnetycznego opiera się na różnych
sposobach oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z materią. Przede
wszystkim więc rozróżnia się detektory działające w oparciu o zjawiska fotonowe,
termiczne i falowe.
Zjawisko fotonowe zewnętrzne znane jest również jako tzw. efekt fotoemisyjności.
Padający foton powoduje emisję elektronu z powierzchni materiału absorbującego,
zwanego fotokatodą (np. fotokomórki, fotokatody w fotopowielaczach).
50
W detektorach które działają w oparciu o zjawiska fotonowe, wykorzystuje się
bezpośrednie oddziaływanie fotonów z elektronami. W wyniku tego oddziaływania
elektron zostaje wzbudzony. Jeśli potem pozostaje nadal w materiale – mówimy,
że mamy do czynienia ze zjawiskiem fotonowym wewnętrznym. Ponieważ
elektrony mogą być związane z siecią krystaliczną, domieszkami lub być
swobodne, stąd dodatkowy podział na trzy grupy: wzbudzanie nadmiarowych
nośników, oddziaływanie ze swobodnymi nośnikami oraz oddziaływanie
zlokalizowane. W tym pierwszym przypadku, jeśli foton oddziałuje z atomami sieci
lub domieszki w ten sposób, ze powstaje swobodna para elektron –dziura, to
mówimy o zjawisku fotonowym samoistnym. Jeśli natomiast powstaje swobodny
elektron i związana dziura ( lub odwrotnie) to mówimy o zjawisku fotonowym
domieszkowym. Jeśli chodzi o oddziaływania zlokalizowane, to foton wzbudza
elektron na wyższy poziom energetyczny w atomie, ale elektron nie opuszcza
atomu.
51
Fotodiody Si
Detektory fotoprzewodzące
52
W detektorach termicznych pewne własności materiału
zmieniają się na skutek zmiany jego temperatury wywołanej
absorpcją promieniowania. Najbardziej popularne detektory
termiczne to tzw. termopary oraz detektory piroelektryczne.
W badaniu baterii słonecznych wykorzystuje się
wykalibrowany detektor termiczny tzw. piranometr. Jest to
przyrząd służący do pomiaru natężenia promieniowania
słonecznego dochodzącego do płaszczyzny poziomej.
Piranometr służy do pomiaru promieniowania całkowitego,
rozproszonego
i
odbitego.
Element
pochłaniający
promieniowanie ma postać szachownicy z polami na przemian
białymi i poczernionymi. Są to termoelementy manganinowo
konstantanowe.
Wskutek
różnicy
pochłaniania
promieniowania przez poczernione i niepoczernione
powierzchnie, wytwarza się różnica temperatur między
spoinami, proporcjonalna do natężenia promieniowania.
Między końcami termobaterii wytwarza się siła
elektromotoryczna powodująca wychylanie się wskazówki
galwanometru.
53
Idealne charakterystyki widmowe detektora termicznego i fotonowego
54
Kryształy piroelektryczne charakteryzują się spontaniczną polaryzacją elektryczną
przy zmianach temperatury. Należą do nich m.in. kryształy ferroelektryczne
siarczan trójgliceryny TGS, SBN (Sr1-xBaxNb2O6) oraz PLZT (związek ołowiu z
cyrkonem i tytanem domieszkowany lantanem). W stałej temperaturze nie
obserwuje się zewnętrznego pola elektrycznego wskutek przyciągania
rozproszonych ładunków atmosferycznych i wychwytywania ich na powierzchni aż
do zneutralizowania pola polaryzacji. Związany ładunek powierzchniowy jest
stabilny i nie zmienia się przy szybkich zmianach temperatury. Natomiast zmiany
temperatury powodują zmiany spontanicznej polaryzacji, którą można mierzyć
doświadczalnie. Dlatego detektory piroelektryczne wymagają modulacji
strumienia
promieniowania.
Wielkością
charakteryzującą
materiały
piroelektryczne jest współczynnik piroelektryczny:
pe =
Pe
T
określony jako stosunek zmiany polaryzacji elektrycznej Pe do zmiany temperatury.
Dla siarczanu trójgliceryny, materiału najczęściej stosowanego do budowy
detektorów, p = 2*10-8 Ccm-2K-1.
55
Napięcie na wyjściu detektora piroelektrycznego:
U = e pe A
PT0t T RT
2CTt Et T w
w- częstość modulacji promieniowania, tE, tT  stała elektryczna i
termiczna, Pto – amplituda mocy padającego promieniowania, e
jest współczynnikiem emisyjności materiału detektora ( czyli
określa jaka część promieniowania padającego na detektor
zostaje zaabsorbowana), RT jest opornością cieplną ( określa
stopień związku detektora z otoczeniem) a CT jest pojemnością
cieplną detektora.
56


Jeśli elektron opuszcza materiał - mamy do czynienia ze zjawiskiem fotonowym
zewnętrznym.
Zjawisko fotonowe zewnętrzne znane jest również jako tzw. efekt fotoemisyjności.
Padający foton powoduje emisję elektronu z powierzchni materiału absorbującego,
zwanego fotokatodą (np. fotokomórki, fotokatody w fotopowielaczach).
Fotopowielacz
57

W przypadku detektorów opartych o oddziaływanie
falowe, pole elektromagnetyczne oddziałując z materią
powoduje zmianę jej własności. W zależności od tego czy
sygnał wejściowy jest uśredniony po całej światłoczułej
powierzchni czy tylko zbierany jest z pewnego obszaru,
mówimy o detektorach elementarnych lub obrazowych.
Podstawą działania w obydwu przypadkach są te same
zjawiska fizyczne. W widikonach ( lampach obrazowych) do
detekcji wykorzystuje się zjawisko fotoprzewodnictwa:
przestrzenna zmiana przewodnictwa wywołana światłem
jest odczytywana przez wiązkę elektronów. W kamerach
CCD ( ang. Charge coupled devices – urządzenia na ładunku
związanym) swobodne nośniki wygenerowane światłem są
wstrzykiwane w strukturę CCD, gdzie sygnał podlega dalszej
obróbce elektronicznej. W systemach FLIR (forward looping
infrared – wyszukiwanie podczerwieni) ruchome lustra
skanują powierzchnię ułożoną z detektorów fotonowych.
Kamera CCD
58
Uwaga: sa to diagramy pasmowe na których zaniedbano pochylenie pasm
Wywołane polem elektrycznym!
F =
dE p
dx
dV
ee ( x) = ( e)
dx
dV
e ( x) = 
dx
e ( x) = const = c 
V = cx 
E p = cex
Ds (t ) = q[ n(t )n   p(t ) p ]
n = p = gopt n
Ds (t ) = qgop [t n n  t p  p ]
Szybkość generacji:
g=
 ( P / h )
Wlt
=
ilość nosnikow generowanych światlem/s
objętość
Koncentracja nośników wygenerowanych światłem:  n(t ) = gt n
Fotoprąd:
I p = s (t ) EWt = q n(t ) n EWt =
 P vdt n
q n(t )vdWt = q
=
hn l
 P vdt n
P tn
q
l
=q
l
hc
l
hc tr
RL RD
P tn
DVL =
q
l
RL  RD hc tr
Jest to stosunek wartości skutecznej napięcia sygnału wyjściowego
o częstotliwości podstawowej do wartości skutecznej mocy
promieniowania padającego o częstotliwości podstawowej
vs
RV =
P
RL RD
 nt n
RV =
q
lU
2
RL  RD hc l
Jeśli zdefiniuje się fotoprąd pierwotny:
I0 = q
P
hc
l
wówczas wzmocnienie G fotoprądu w detektorze
fotoprzewodzącym wyraża się wzorem:
vdt t
G=
=
l
tr
G (ang. gain – zysk) dla detektorów fotoprzewodzacych może
być równy: 1-106

Dla małego prądu stałego płynącego przez detektor PC wskutek
jego polaryzacji, dominujący jest szum Johnsona – Nyquista i
wówczas detekcyjność wyraża się wzorem:
Rv (l ) ADf
Rv (l ) ADf
Dl =
=
Vn ( f )
4kTRD Df
*
CdS - tanie : mierniki światła w aparatach fotogr.,
czujniki świateł ulicznych, czujniki w alarmach.
 PbS i InSb LDRs (light dependent resistor) są
używane w tzw. średniej podczerwieni (mid-IR)
 Ge:Cu - daleka podczerwień (far-IR); spektroskopia
w podczerwieni i astronomia w podczerwieni







-dla fotodiody interesujący jest tylko zakres długości fal l w pobliżu piku
czułości;
-dla baterii – im szerszy zakres tym lepiej;
-fotodioda powinna mieć małą pojemność C, gdyż stała czasowa
decydująca o szybkości odpowiedzi fotodiody z punktu widzenia obwodu
elektrycznego = RDC. Dlatego fotodioda powinna mieć małą
powierzchnię;
-bateria powinna mieć dużą powierzchnię aby duża ilość fotonów
docierała do złącza;
-dla fotodiody najważniejszym parametrem jest wydajność kwantowa;
-dla baterii – sprawność baterii.
Ri =
Wydajność kwantowa fotodiody:
Czułość prądowa fotodiody:
Czułość napięciowa fotodiody:
I p hc
=
q Pl
I  ql
Ri = =
P hc
RV = Ri R D =
 lqRD
hc
Przy pracy fotodiody bez polaryzacji zewnętrznej dominuje szum Johnsona –
Nyquista i detekcyjność wyraża się wzorem:
D*l =
lq
2 hc
R A
RD A
= V
kT
2 kTR D

72
Zasada działania CCD
5 kroków
1. oświetlić
CCD
3. zgromadzić nośniki
2. wygenerować nośniki
Eg
pasmo przew.
pasmo walenc.
4. przetransportować
nośniki
5. wzmocnić
73
Krok 3. Zgromadzić nośniki
MOS
74
Zasada działania CCD
p-Si
p-Si
Ruch ładunku
jest
“związany”
75
Struktura CCD
CCDs są wykonywane na kawałkach krzemu za pomocą techniki fotolitografii.
3 CCD Philipsa na 6 calowym kawałku Si.
Don Groom LBNL
76
Detektor CCD
Mozaika 4 CCD (kwadrat
6cm x 6 cm), z których każda
zawiera 2040 x 2048 pikseli.
Razem ok.16 millionów
pikseli (Kitt Peak National
Observatory, Arizona).
77
Detektor CCD vs fotokatody
78
Schemat układu do pomiaru charakterystyki widmowej detektora promieniowania
79

Wiązka światła ze źródła pada na układ luster, które skupiają ją na
szczelinie wejściowej monochromatora. Monochromatyczna wiązka
światła wychodząca ze szczeliny wyjściowej monochromatora, pada
albo na lustro, które kieruje ją na badany detektor albo na ruchome
lustro, które kieruje ją na detektor wzorcowy (odniesienia). Sygnał
na wyjściu detektora, mierzony jest przy pomocy miernika
selektywnego. Modulacja jest realizowana przy pomocy
mechanicznego modulatora, ustawionego przed szczeliną
wejściową monochromatora. Pomiar czułości spektralnej detektora
fotonowego polega na pomiarze napięcia na wyjściu detektora,
mierzonego przy pomocy miernika w funkcji długości fali
padającego promieniowania elektromagnetycznego.
80
W rzeczywistości, każde źródło światła posiada swoją charakterystykę
spektralną. Oznacza to, że moc promieniowania jest inna dla każdej
długości fali. Sygnał na wyjściu detektora jest w tej sytuacji
odzwierciedleniem obydwu charakterystyk spektralnych: źródła i samego
detektora. Aby pozbyć się tej niedogodności, dokonuje się pomiaru
charakterystyki spektralnej źródła przy pomocy kalibrowanego detektora o
stałej czułości, RT, niezależnej od długości fali. Takim detektorem może być
każdy detektor termiczny, np. tzw. termopara lub detektor piroelektryczny.
Pomiaru charakterystyki spektralnej źródła dokonuje się poprzez pomiar
sygnału na wyjściu detektora termicznego, VT, które odwzorowuje moc
promieniowania źródła. Tak więc moc źródła P(l) można wyliczyć ze wzoru:
VT (l )
P (l ) =
RT
81
Najważniejszymi parametrami, które charakteryzują promieniowanie słoneczne
z punktu widzenia działania ogniw słonecznych są:

natężenie napromieniowania, czyli ilość strumienia promieniowania padającego
na jednostkę powierzchni

charakterystyka widmowa.

Jak wiadomo natężenie napromieniowania poza atmosferą ziemską jest równe
1365W/m2. Wielkość ta nazywa się stałą słoneczną.Po przejściu przez atmosferę
natężenie napromieniowania spada do wartości ok. 1000W/m2. Jest to typowa
wartość, którą osiąga natężenie napromieniowania na płaszczyźnie oświetlanej
strumieniem padającym prostopadle w słoneczny dzień. Jeśli płaszczyzna śledzi
strumień światła słonecznego padający prostopadle przez 8 godzin dziennie, to
natężenie napromieniowania wynosi .Jeśli natomiast powierzchnia jest ustalona,
tzn. nie podąża za położeniem tarczy Słońca, to wartości natężenia
82



Jak wiadomo natężenie napromieniowania poza atmosferą ziemską
jest równe 1365W/m2. Wielkość ta nazywa się stałą słoneczną.
Po przejściu przez atmosferę natężenie napromieniowania spada do
wartości ok. 1000W/m2. Jest to typowa wartość, którą osiąga
natężenie napromieniowania na płaszczyźnie oświetlanej
strumieniem padającym prostopadle w słoneczny dzień.
Jeśli płaszczyzna śledzi strumień światła słonecznego padający
prostopadle przez 8 godzin dziennie, to natężenie
napromieniowania wynosi
1000 

8
W / m 2 = 333W / m 2
24
Jeśli powierzchnia jest ustalona, tzn. nie podąża za położeniem
tarczy Słońca, to wartości natężenia napromieniowania zawierają
się w granicach miedzy 180 W/m2 a 270 W/m2.
83

W celu oszacowania natężenia napromieniowania ze
względów ekonomicznych wprowadza się wielkość zwaną
nasłonecznieniem, które jest zdefiniowane następująco:
kWh
24 godz 103 kW
naslonecznienie[
] = natężenie

2
dzień  m
dzień
W
Np. dla natężenia napromieniowania 250W/m2 nasłonecznienie
jest równe 6kWh/dzień/m2.
84

Widmo światła słonecznego i jego natężenie zależą od
grubości atmosfery, przez którą przechodzi światło
słoneczne zanim dotrze do konwertera energii. Grubość ta,
zwana AM ( ang. air mass – masa powietrza) jest
zdefiniowana wzorem:
1
AM (liczba ) =
cos 
gdzie jest kątem między strumieniem światła słonecznego a
normalną do oświetlanej powierzchni. Spektrum światła
słonecznego poza atmosferą, zwane AM0 jest zbliżone do
widma promieniowania CDC o temperaturze 5743K i jego
całkowite natężenie napromieniowania wynosi 1365W/m2.
85

AM1 odpowiada natężeniu napromieniowania gdy światło
słoneczne w zenicie przenika przez atmosferę i jest równe
ok. 0.7 wartości AMO. Standardowo przyjmuje się średnie
natężenie AM1.5 któremu odpowiada kąt  = 48.19

Do niedawna przyjmowano, że natężenie całkowite w
warunkach oświetlenia AM1.5 jest równe 844W/m2. W chwili
obecnej zgodnie ze standardami ASTM E 892, IEC 60904-3
normalizuje się to natężenie do 1000W/m2.
86
Charakterystyka spektralna CDC o temperaturze Słońca (6000K) oraz widmo AM1.5
znormalizowane do 1000W/m2. tzn. pole pod wykresem jest równe całkowitemu
natężeniu napromieniowania równemu
tej wartości. Minima obserwowane na
charakterystyce widma AM1.5 są związane z absorpcją światła w atmosferze przez
cząsteczki H 2O, CO2 , O3 i O2 .
87

Aby obliczyć liczbę fotonów o określonej energii, padających na
jednostkę powierzchni w jednostce czasu używa się wzoru:
dG
dG dl
l Pl l
 Ge =

= Gl =
de
d l de
e e e
gdzie e jest energią fotonu, któremu odpowiada fala
elektromagnetyczna o długości l zaś G jest gęstością strumienia
fotonów. Znając energię przypadającą na foton o określonej energii,
spektrum pokazane na poprzednim slajdzie można zamienić na
spektrum, w którym na osi y będzie liczba fotonów o określonej
energii padających na jednostkę powierzchni w jednostce czasu
(następny slajd).
88
Widmo AM1.5: liczba fotonów padających na jednostkę powierzchni
w jednostce czasu w zależności od energii fotonów
89
Schemat oddziaływania światła z ośrodkiem
Padające światło
Propagacja w
ośrodku
Transmisja
Odbite światło
Zgodnie z zasadą zachowania energii:
F = F R  F  F T
90

Po podzieleniu obydwu stron równania przez F :
R  T =1

gdzie R = FR/ F jest współczynnikiem odbicia, czyli jest to
część strumienia padającego odbita przez powierzchnię.

a = F/ F jest współczynnikiem absorpcji – jest to część
strumienia padającego pochłonięta przez ośrodek.

T = FT/ F jest współczynnikiem transmisji – jest to część
promieniowania przechodzącego przez ośrodek.
91
Układ do pomiaru charakterystyki spektralnej współczynnika transmisji . Na
badany półprzewodnik pada wiązka światła monochromatycznego.
Natężenie światła po przejściu przez próbkę jest mierzone za pomocą
detektora promieniowania elektromagnetycznego.
92

Załóżmy, że wiązka fotonów o długości fali λi natężeniu I0 (fotony/cm2s)
została skierowana na próbkę o grubości l (rys. na poprzednim
slajdzie).Stosunek natężenia światła, które przeszło przez próbkę do
natężenia światła padającego zależy od długości fali fotonów (λ) i
grubości próbki (l). Natężenie I(x)wiązki w odległości x od powierzchni :
dI ( x)
=  I ( x)  I ( x) = I 0e  x
dx

Wówczas natężenie światła po przejściu przez próbkę o grubości (l):
It = I 0e
 l
93

Związek pomiędzy współczynnikiem
transmisji, odbicia i absorpcji dla ośrodka
absorbującego o grubości l(w zakresie tzw.
silnej absorpcji) jest następujący:
2  l
T = (1  R) e
1 (1  R(l ))
 (l ) =
l T (l )
2
94

Gęstość optyczna (ang. optical density)
O.D. =
x
log e (10)
= 0, 434 x
95
96
Zależność spektralna T+R dla trzech warstw krzemu o różnej
grubości. Dla bardzo cienkich warstw obserwuje się interferencję
97
a) Układ do pomiaru charakterystyk spektralnych baterii słonecznej przy
pomocy sfery całkującej.
b) Wnętrze sfery całkującej
98

Układ do pomiaru charakterystyki widmowej baterii słonecznej oparty na
systemie filtrów interferencyjnych
99
Układ do pomiaru charakterystyk spektralnych ogniw z monochromatorem trójsiatkowym
100
Oprócz charakterystyki spektralnej czułości fotoprądu często
mierzy się również wydajność kwantową, która oznacza liczbę
par elektron-dziura uzyskanych z jednego fotonu:
qR(l )
QE (l ) =
l hc
gdzie stała hcq = 1239 jeśli długość fali l jest w [nm]. Ta wydajność
kwantowa jest nazywana wydajnością fotoprądu indukowanego
(światłem) (IPCE – ang. Induced photocurrent efficiency) lub
zewnętrzną wydajnością kwantową (EQE -ang. external
quantum efficiency).
101

Względna wydajność IPCE:
1239  J l [  A / cm 2 ]
q = IPCE[%] =
l[nm]  Pl [W / m 2 ]
gdzie Jl jest gęstością mierzonego fotoprądu zaś Pl jest
natężeniem napromieniowania w miejscu w którym znajduje
się ogniwo (mierzonym np. detektorem termicznym).
102
103
Typowy układ do pomiaru charakterystyk I-V baterii
104

Napięcie polaryzujące baterię jest mierzone
bezpośrednio na baterii natomiast prąd jest
mierzony pośrednio, jako stosunek spadku
napięcia na rezystorze Rsh do wartości jego
rezystancji. Nie należy mierzyć prądu
płynącego przez baterię bezpośrednio
amperomierzem włączonym szeregowo w
obwód z baterią, ponieważ spadek napięcia na
amperomierzu zmienia punkt pracy baterii.
105
Kluczowe wartości na charakterystyce I-V to napięcie rozwarcia (ang. open circuit voltage),
prąd zwarcia (ang. short circuit current) oraz punkt maksymalnej mocy .
106