Exam text content

 

SMG-4450 AURINKOSÄHKÖ
tentti 19.10.2012 Aki Korpela
OMAN OHJELMOITAVAN LASKIMEN KÄYTTÖ SALLITTU

Tehtävä 1: auringon säteilemä energia
Vastaa lyhyesti seuraaviin kysymyksiin:

(a)
(b)
(e)

Mitä sähkömagneettisen säteilyn aallonpituuksia auringonsäteily likimain
sisältää? Millä eri tavoin ihminen aistii eri aallonpituudet? (2 p)

Mikä on se mekanismi, joka aiheuttaa auringonsäteilyn vaimenemisen ilma-
kehässä? (2 p)

Mitä säteilyintensiteetin muutos tarkoittaa pinta-alayksikölle tulevien fotonien
kannalta? (2 p)

Tehtävä 2: pimeässä olevan puolijohteen sähkönjohtavuus

(a)
(b)

(e)

Miksi puhdas pii ei johda sähköä absoluuttisessa nollapisteessä? Entä miksi
puhtaan piin sähkönjohtavuus kasvaa lämpötilan noustessa? (2 p)

Tarkastellaan fosforilla seostettua n-tyypin piitä. Absoluuttisessa nollapisteessä n-
tyypin piin sähköjohtavuus on sama kuin puhtaalla piillä (eli nolla), mutta
huoneenlämpötilassa n-tyypin pii johtaa paljon paremmin sähköä kuin puhdas pii.
Selitä tämä käyttäytyminen. (2 p)

Tarkastellaan boorilla seostettua p-tyypin piitä. Sopivilla seostussuhteilla n- ja p-
tyypin piin sähkönjohtavuudet saadaan käyttäytymään lämpötilan funktiona
samalla tavalla. Ilmiötasolla n- ja p-tyypin puolijohteiden sähkönjohtavuudessa on
kuitenkin merkittävästi eroa. Tee selkoa tästä eroavaisuudesta. (2 p)

Tehtävä 3: oikein (O) vai väärin (V)?

Oikea vastaus tuottaa yhden pluspisteen, väärä vastaus yhden miinuspisteen. Vastaamatta
jättäminen tuottaa nolla pistettä. Tehtävän minimipistemäärä on kuitenkin nolla, eli tentin
kokonaispisteiden kannalta tämä tehtävä ei voi mennä miinukselle.

(a)
(0)

(e)
(d)

(e)
(

Auringonsäteilyn intensiteetti on maan etäisyydellä auringosta (aurinkovakio)
noin 2000 W/m.

Ilmamassa on säteilyn ilmakehässä kulkeman matkan ja ilmakehän paksuuden
osamäärä.

Aukko on vähemmistövarauksenkuljettaja n-tyypin puolijohteessa.
Johtavuusvyöllä mallinnetaan atomien välisiin sidoksiin osallistuvien elektronien
energiaa.

Epäsuoran = energia-aukon — puolijohteissa = elektronin liikemäärä — vaikuttaa
merkittävästi energia-aukon suuruuteen.

Hyvin toimivan aurinkosähkövoimalan huipunkäyttöaika on Etelä-Suomen
olosuhteissa noin 1600 tuntia.

ÄÄNNÄ!
Tehtävä 4:

(a) pn-liitoksen toimiminen aurinkokennona

Kirjoita essee, joka alkaa pimeässä olevan pn-liitoksen rakenteen esittelyllä, ja joka
päättyy virkkeeseen: "Tämän vuoksi elektronit kulkevat valolle altistetussa pn-liitoksessa
ulkoista = piiriä pitkin n-puolelta p-puolelle." Tavoitteena on siis kirjoittaa
mahdollisimman loogisesti ja maalaisjärjellisesti etenevä essee pn-liitokseen perustuvan
aurinkokennon toimintaperiaatteesta. (3 p)

(b) väriaineaurinkokennon toimintaperiaate

Kohdassa (a) tarkastellun aurinkokennon toiminta perustuu puolijohteessa tapahtuvaan
valosähköiseen ilmiöön ja pn-liitoksen tyhjennysalueen sähkökenttään. Väriaineaurinko-
kennossa ei kuitenkaan ole pn-liitosta, eikä kennon puolijohde saa absorboida fotoneja.
Kerro lyhyesti ja pintapuolisesti, miten väriaineaurinkokenno toimii. (2 p)

(c) lämpötilan vaikutus

Lämpötilan muutos vaikuttaa piikennoon huomattavasti enemmän kuin väriaineaurinko-
kennoon. Mistä tämä mahtaa johtua? Mieti, miksi piikennon jännite riippuu merkittävästi
kennolämpötilasta. Ja kun sen jälkeen mietit väriainekennon rakennetta, vastaus on
pääteltävissä, vaikkei tätä yksityiskohtaa olekaan kurssilla suoraan käsitelty... (1 p)

Tehtävä 5: piiaurinkokennon virta-jännite-käyrän muodostuminen

Oheinen kuva esittää piiaurinkokennon tyypillistä virta-jännite-käyrää.

(a) Tarkastellaan ensin tyhjäkäyntitilannetta. Mitä valolle altistetun pn-liitoksen
sisällä tapahtuu tyhjäkäyntitilanteessa? Miksi kennon jännite on suurimmillaan
tyhjäkäynnissä? Onko tyhjennysalueen sähkökenttä tällöin pienimmillään,
suurimmillaan, vai jotain siltä väliltä?

(b) — Tarkastellaan sitten oikosulkutilannetta. Mitä valolle altistetun pn-liitoksen sisällä
tapahtuu oikosulkutilanteessa? Miksi kennon virta on suurimmillaan oikosulussa?
Onko tyhjennysalueen sähkökenttä tällöin pienimmillään, suurimmillaan, vai
jotain siltä väliltä?

(c) Esitä oheisen kuvan pisteet (i) ja (ii) kennon sisäisten tapahtumien avulla. Miten
piste (i) eroaa kennon sisäisten tapahtumien kannalta tyhjäkäyntitilanteesta, ja
miten piste (ii) eroaa vastaavasti oikosulkutilanteesta? Kerro myös, mitä kennon
sisällä tapahtuu virta-jännite-käyrän maksimitehopisteessä. Onko tyhjennysalueen
sähkökenttä pienimmillääm, suurimmillaan, vai jotain siltä väliltä, kun toimitaan
maksimitehopisteessä? (2 p)

I
(ii)
Isc0 o

 

VN mV v
(a) (b)