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標題: [大師] 化工概論報告BETA版 題目光電效應以及ꠠ…
時間: Sun May 20 18:48:09 2007
作者: f94 (大師) 看板: IamMaster
標題: [大師] 化工概論報告BETA版 題目光電效應以及其應用
時間: Sun May 20 17:39:21 2007
光電效應的目的和範疇
光電效應是愛因斯坦於1912年所做的實驗,
本實驗證明了
1: 光具有粒子性
2: 光的頻率愈高能量愈大
光具有粒子性這個結論解釋了許多古典物理(光的波動性無法解釋)
沒辦法解釋的問題
例如 1:光照金屬材料 要產生電流入射光的要大於某頻率 才會有電流
而某頻率和材料有關
2: 所放出的電子動能與入射光強度無關係但與頻率成正比
光電效應這個實驗不只拿到了Nobel Prize
還做出了非常非常多的應用產品
太陽能板 GPS導航系統 DVD撥放器 光纖網路
可以說是大大的改變了人類的生活
現在先讓我來介紹光電效應的實驗和原理吧
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光電效應實驗介紹
首先先把儀器架好如下圖
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712585&p=2
然後水銀燈光源要往h/e裝置打光
h/e裝置接受光之後就會產生電流
然後選擇一個頻率的光打入h/e裝置
再選擇一個和所選頻率的光依樣顏色的濾片
蓋住h/e裝置的接收孔 然後不斷的換顏色
然後紀錄電流所產生的電壓
這組實驗數據可以看出頻率和電流強度的關係
再來選擇一個由黑逐漸到白的濾片
蓋住h/e裝置的接收口
此濾片可以降低光強度 然後紀錄電壓
這組實驗數據可以看出光強度和和電流強度的關係
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光電效應實驗的解釋和結論
光電效應只會發生在導體不會發生在絕緣體
有自由電子的材料才會有光電效應 所以常常用金屬來做
因為要有自由電子給光電子撞出質子軌道
自由電子被撞的力突破凡得瓦力產生電流示意圖如下
(我用小畫家畫的)
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712586&p=3
上圖代表的意思是自由電子在導線裡面亂撞而產生電流的是意圖
再沒通電的時候自由電子並不是不會亂碰亂撞
而是隨機碰撞 隨機的結果 每個電子的平均向量平均起來會等於0
所以沒通電是沒電流的 通電流是給自由電子施加某一個方向的力
導致自由電子碰撞會偏向某方向
而光電子碰撞自由電子也是給自由電子某方向的意思
如果光沒有粒子性的性質 光照金屬材料絕對不會有電流發生
有電流發生正是愛因斯坦說明了光有粒子性
某些導電性比較差的金屬材料
要被夠高頻率的光照才會出現電流
能量夠高光電子才能把電子撞離軌道
以及頻率愈高的光所產生的電壓愈高
上面的實驗數據說明了
光頻率愈高能量愈高這件事
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太陽能電池的目的和範疇
太陽能取之不盡 用之不竭 太陽內部不斷的進行核融合反應
每秒中有6X10的11次方的氫轉變成氦 其中有4X10的3次方的質量損失
愛因斯坦相對論說: E=MC平方 E=Energy(J) M=Mass(Kg)
C= Speed 3X10八次方(M/S)
帶入公式可知 太陽每秒可以製造 3.6X10的20次方焦耳的能量
經過一億五千萬公里來到地球 還保有1.2X10的17次方瓦
所以太陽照地球一秒的能量如果能完全轉換 可以讓全世界的人類用2小時
太陽能電池與一般的電池不同
太陽能電池是將太陽能轉換成電能的裝置
且不需要透過電解質來傳遞導電離子
而是改採半導體產生 PN 結來獲得電位
當半導體受到太陽光的照射時
大量的自由電子伴隨而生
而此電子的移動又產生了電流
也就是在 PN 結處產生電位差因此
太陽能電池需要陽光才能運作
所以大多是將太陽能電池與蓄電池串聯
將有陽光時所產生的電能先行儲存
以供無陽光時放電使用
關於太陽能電池的應用有一般家庭安裝於屋頂上以加熱洗澡水或太陽能車上的動力來源
太陽能有許多優點：豐富 清潔 安全且不受任何壟斷
它不從地球上帶走任何東西 也不會導致污染 卻默默地發出光和熱
推動生命的成長 它確實是無後顧之憂的能源
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太陽能電池原理
太陽能電池係一種利用太陽光直接發電的光電半導體薄片
其將高純度的半導體材料加入一些不純物使其呈現不同的性質
如加入硼可形成 P 型半導體加入磷可形成 N 型半導體
PN 兩型半導體相結合後 當太陽光入射時
產生電子與電洞 有電流通過時 則產生電力 發電原理可參考下圖
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712589&p=6
導體受到太陽光的照射時 大量的自由電子伴隨而生
而此電子的移動又產生了電流 也就是在 PN 結處產生電位差
因此 太陽能電池需要陽光才能運作
所以大多是將太陽能電池與蓄電池串聯
將有陽光時所產生的電能先行儲存 以供無陽光時放電使用
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太陽能電池的類型與使用材料
太陽能電池分非晶、單晶及多晶三種：
（一）單晶矽的組成原子均按照一定的規則，週期性地排列，
它的製作方法是把矽金屬（純度為 99.999999999％，11 個 9）熔融於石英坩堝中，
然後把晶種插入液面，以每分鐘 2 ~ 20 轉的速率旋轉，
同時以每分鐘 0.3 ~ 10 毫米的速度緩慢的往上拉引，
如此即可形成一直徑 4 ~ 8 吋單晶矽碇，
此製作方法稱為柴氏長晶法（Czochralski method）。
用單晶矽製成的太陽電池，效率高且性能穩定，目前已廣泛應用於太空及陸地上。
（二）多晶矽的矽原子堆積方式不只一種，
它是由多種不同排列方向的單晶所組成。
多晶矽是以熔融的矽鑄造固化而成，
因其製程簡單，所以成本較低。
目前由多晶矽所製作出的太陽電池產量，
已經逐漸超越單晶矽的太陽電池。
（三）非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊亂，
沒有規則可循。一般非晶矽是以電漿式化學氣相沈積法，
在玻璃等基板上成長厚度約一微米左右的非晶矽薄膜。
因為非晶矽對光的吸收性比矽強約 500 倍，
所以只需要薄薄的一層就可以把光子的能量有效地吸收，
且不需要使用昂貴的結晶矽基板，而用較便宜的玻璃、陶瓷或是金屬等基板，
如此不僅可以節省大量的材料成本，
也使得製作大面積的太陽電池成為可能（結晶矽太陽電池的面積受限於矽晶圓的尺寸）。
單、多晶太陽能電池較非晶太陽能電池能夠轉化多一倍以上的太陽能為電能，
但單、多晶的價格比非晶的價格貴兩三倍以上，
在陰天的情況下非晶體式反而與晶體式能夠收集到差不多一樣多的太陽能。
所以，除非受到每單位面積產電功率的限制，否則的話，
使用非晶體式太陽能電池板為更加划算的投資。
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參考書目
非常大量的網路資料
作者: FISHBANE,GASIOROWICZ,THORNTON
書名: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics(The Third Edition)
出版地點: USA
出版者: PEAESON
出版年份: 2005
作者: McMURRY FAY,ROBERT C. FAY
書名: Chemistry(The Fourth Edition)
出版地點: USA
出版者: PEAESON
出版年份: 2004
作者: 中國文化大學物理系
書名: 普通物理實驗(下)
出版地點: 台灣
出版者: 中國文化大學物理系
出版年份: 2007年1月
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