Термо- та фотоелектричні явища в твердих тілах
Спеціальність: Прикладна фізика
Код дисципліни: 7.105.01.O.004
Кількість кредитів: 5.00
Кафедра: Прикладна фізика і наноматеріалознавство
Лектор: к.ф.-м.н., доцент Когут Зіновій Олександрович
Семестр: 1 семестр
Форма навчання: денна
Завдання: Вивчення навчальної дисципліни передбачає формування у здобувачів освіти компетентностей:
загальні компетентності:
ЗК1 Здатність навчатися, сприймати набуті знання в предметній області та інтегрувати їх із уже наявними;
ЗК 4. Здатність здійснювати пошук та аналізувати інформацію з різ¬них джерел;
ЗК 6. Уміння розв’язувати поставлені задачі та приймати відповідні обґрунтовані рішення;
ЗК 8. Уміння працювати самостійно і в команді, здатність комунікувати з колегами у питаннях галузі щодо наукових досяг¬нень, як на загальному рівні, так і на рівні спеціалістів;
ЗК 10. Уміння думати абстрактно, здатність до аналізу та синтезу, що дозволяє формулювати висновки (діагноз) для різних типів складних управлінських задач, здійснювати планування, аналіз, контроль та оцінювання власної роботи та роботи інших осіб;
ЗК 12. Навички використання інформаційних та комунікативних технологій, впровадження комп’ютерних програм та використання існуючих.
фахові компетентності:
ФК 1. Знання про сучасні тенденції розвитку і найбільш важливі нові наукові досягнення в області прикладної фізики та наноматеріалів;
ФК 3. Здатність використовувати закони та принципи фізики у поєднанні із потрібними математичними інструментами вищого рівня для вирішення задач прикладної фізики та наноматеріалознавства;
ФК 5. Здатність інтегрувати знання з інших дисциплін, застосовувати системний підхід та враховувати нетехнічні аспекти при розв’язанні інженерних задач та проведенні досліджень у галузі прикладної фізики та наноматеріалів;
ФКС 3. Здатність побудувати фізико-математичні моделі явищ і процесів у мезо- та наносистемах, енергогенеруючих та енергоперетворюючих пристроях;
ФКС 4. Здатність аналізувати енергетичну ефективність використовуваних технічних засобів та матеріалів для вирішення прикладних задач розроблення енергоефективних технологій;
ФКС 5. Здатність здійснювати моніторинг наукової інформації щодо питань наноматеріалознавства та нетрадиційної енергетики за допомогою бібліотечних каталогів та баз даних міжнародних електронних бібліотек/
Результати навчання: У результаті вивчення навчальної дисципліни студент повинен знати:
– основні фізичні поняття, явища та закони, що охоплюються курсом “Термо- та фотоелектричних явищ в твердих тілах”;
– межі застосування явищ і законів, їх сутність, фізичне і математичне підґрунтя, взаємозв’язок і зв’язок з іншими фізичними явищами;
– ефективні способи і методи вирішення інженерних завдань у рамках курсу;
вміти:
– застосовувати набуті знання на практиці;
– чітко розуміти природу і сутність явищ та законів; що лежать у підґрунті курсу.
Необхідні обов'язкові попередні та супутні навчальні дисципліни: - пререквізити: загальна фізика. Електрика і магнетизм; фізика твердого тіла; математичний аналіз; диференціальні рівняння.
- кореквізити: фізика і технологія наносистем; фізико-технічні основи фотоперетворювальних матеріалів і пристроїв
Короткий зміст навчальної програми: Контактні та термоелектричні явища в металах і напівпровідниках. (Явище Зеєбека. Ефект Пельтьє. Термодинаміка термоелектричних явищ. Ефект Томсона.)
Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу в напівпровідниках. (Електронно-дірковий перехід. Структура та методи утворення. Фізичні процеси під час створення р-n переходу. P-n перехід у рівноважному стані. Струми через p-n перехід. Висота потенціального бар’єра р-п переходу. Розподіл електричного поля та потенціалу в p-n переході.) Фотоелектричні пристрої сучасної енергетики. (Фотоперетворювачі на p-n переході, на бар’єрі Шотткі, сонячні елементи 2 і 3 покоління та їх особливості.)
Опис: Контактні та термоелектричні явища в металах і напівпровідниках. Елементи зонної теорії твердого тіла. Енергетичні зони. Робота виходу. Контактна різниця потенціалів. Внутрішня контактна різниця потенціалів. Зовнішня контактна різниця потенціалів. Термоелектричний ефект. Явище Зеєбека. Ефект Пельтьє. Термодинаміка термоелектричних явищ. Ефект Томсона. Ососбливості термоелектричного ефекту в напівпровідниках. Застосування термоелектричних явищ. Термометри опору. Термопари. Дротяні та плівкові терморезистори. Напівпровідникові термоперетворювачі. Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу в напівпровідниках. Власна електропровідність. Домішкова електропровідність. Розподіл носіїв заряду в зонах напівпровідника. Рівень Фермі. Концентрація носіїв заряду в апівпровідниках у рівноважному стані. Положення рівня Фермі в забороненій зоні напівпровідника. Вплив концентрації носіїв заряду та температури. Концентрація носіїв заряду в напівпровідниках у нерівноважному стані. Питома електропровідність і питомий опір. Вплив температури. Електронно-дірковий перехід. Структура та методи утворення. Фізичні процеси під час створення р-n переходу. P-n перехід у рівноважному стані. Струми через p-n перехід. Висота потенціального бар’єра р-п переходу. Розподіл електричного поля та потенціалу в p-n переході.
Ширина переходу. P-n перехід у нерівноважному стані. Струми через p-n перехід. Висота потенціального бар’єра та ширина переходу .Інжекція та екстракція носіїв заряду.. Розподіл носіїв заряду в базі у разі прямого та зворотного зміщень переходу. Рівень інжекції. Вольт-амперна характеристика ідеалізованого p-n переходу. Вольт-амперна характеристика реального p-n переходу. Зворотна гілка вольт-амперної характеристики. Пряма гілка вольт-амперної характеристики. Температурна залежність вольт-амперної характеристики. Опір та бар’єрна та дифузійна ємності р-п переходу. Фотоелектричні пристрої сучасної енергетики. Сучасний стан та перспективи сонячної енергетики, тенденції та аналіз шляхів підвищення ККД. Будова типового фотоелемента та розрахунок його фізичних характеристик. Розрахунок втрат у сонячних елементах. Фтоперетворювачі на p-n переході, на бар’єрі Шотткі, сонячні елементи 3 покоління та їх особливості. Варізонна концепція та її реалізація у фотоелементах. Особливості розрахунку характеристик таких фотоелементів. Особливості сонячних елементів із розвиненою поверхнею. Порівняльний аналіз текстурованих сонячних елементів з різним типом текстури. Моделювання процесів та розрахунок основних характеристик СЕ у сучасних моделюючих програмах та прикладних пакетах., що використовуються в модельних наукових дослідженнях фотоелементів.
Методи та критерії оцінювання: Екзамен (письмова та усна компоненти), захист звітів до лабораторних робіт студентів.
- поточний контроль (30%): опитування на лабораторних заняттях, захист звітів (20%), самостійна робота (10%),
- підсумковий контроль (70%): іспит – письмова компонента (60%), усна компонента (10%).
Критерії оцінювання результатів навчання: -
Порядок та критерії виставляння балів та оцінок: 100–88 балів – («відмінно») виставляється за високий рівень знань (допускаються деякі неточності) навчального матеріалу компонента, що міститься в основних і додаткових рекомендованих літературних джерелах, вміння аналізувати явища, які вивчаються, у їхньому взаємозв’язку і роз витку, чітко, лаконічно, логічно, послідовно відповідати на поставлені запитання, вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 87–71 бал – («добре») виставляється за загалом правильне розуміння навчального матеріалу компонента, включаючи розрахунки , аргументовані відповіді на поставлені запитання, які, однак, містять певні (неістотні) недоліки, за вміння застосовувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 70 – 50 балів – («задовільно») виставляється за слабкі знання навчального матеріалу компонента, неточні або мало аргументовані відповіді, з порушенням послідовності викладення, за слабке застосування теоретичних положень під час розв’язання практичних задач; 49–26 балів – («не атестований» з можливістю повторного складання семестрового контролю) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння застосувати теоретичні положення під час розв’язання практичних задач; 25–00 балів – («незадовільно» з обов’язковим повторним вивченням) виставляється за незнання значної частини навчального матеріалу компонента, істотні помилки у відповідях на запитання, невміння орієнтуватися під час розв’язання практичних задач, незнання основних фундаментальних положень.
Рекомендована література: 1. Luque А., Hegedus S. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. John Wiley & Sons Ltd, 2003.
Уніфікований додаток: Національний університет «Львівська політехніка» забезпечує реалізацію права осіб з інвалідністю на здобуття вищої освіти. Інклюзивні освітні послуги надає Служба доступності до можливостей навчання «Без обмежень», метою діяльності якої є забезпечення постійного індивідуального супроводу навчального процесу студентів з інвалідністю та хронічними захворюваннями. Важливим інструментом імплементації інклюзивної освітньої політики в Університеті є Програма підвищення кваліфікації науково-педагогічних працівників та навчально-допоміжного персоналу у сфері соціальної інклюзії та інклюзивної освіти. Звертатися за адресою:
вул. Карпінського, 2/4, І-й н.к., кімн. 112
E-mail: nolimits@lpnu.ua
Websites: https://lpnu.ua/nolimits https://lpnu.ua/integration
Академічна доброчесність: Політика щодо академічної доброчесності учасників освітнього процесу формується на основі дотримання принципів академічної доброчесності з урахуванням норм «Положення про академічну доброчесність у Національному університеті «Львівська політехніка» (затверджене вченою радою університету від 20.06.2017 р., протокол № 35).