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Painel Fotovoltaico

2019-12-06T16:38:27Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv panel photo.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|300px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: todo
*Laboratory: todo
*Control Room: todo
*[todo]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|14.5 $\times$ 9
|-
|Fotovoltaico
|15 $\times$ 10
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre o fluxo luminoso (intensidade da radiação visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ Fluxo luminoso para LEDs RGB
|-
|Cor
|Fluxo luminoso (lux)
|-
|Vermelho (R)
|1080
|-
|Verde (G)
|5780
|-
|Azul (B)
|7320
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a região de deplecção.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a região de deplecção, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na região de deplecção, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fotões na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na região de deplecção impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Photovoltaic panel

2019-12-06T16:37:04Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv panel photo.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|300px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: todo
*Laboratory: todo
*Control Room: todo
*[todo]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|14.5 $\times$ 9
|-
|Photovoltaic
|15 $\times$ 10
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the luminous flux (intensity of visible radiation) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs luminous flux
|-
|Colour
|Luminous flux (lux)
|-
|Red (R)
|1080
|-
|Green (G)
|5780
|-
|Blue (B)
|7320
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure 2;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Photovoltaic panel

2019-12-06T16:36:46Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv panel photo.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|350px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: todo
*Laboratory: todo
*Control Room: todo
*[todo]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|14.5 $\times$ 9
|-
|Photovoltaic
|15 $\times$ 10
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the luminous flux (intensity of visible radiation) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs luminous flux
|-
|Colour
|Luminous flux (lux)
|-
|Red (R)
|1080
|-
|Green (G)
|5780
|-
|Blue (B)
|7320
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure 2;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Photovoltaic panel

2019-12-06T16:36:02Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv panel photo.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|14.5 $\times$ 9
|-
|Photovoltaic
|15 $\times$ 10
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the luminous flux (intensity of visible radiation) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs luminous flux
|-
|Colour
|Luminous flux (lux)
|-
|Red (R)
|1080
|-
|Green (G)
|5780
|-
|Blue (B)
|7320
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure 2;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

File:Pv panel photo.jpg

2019-12-06T16:34:19Z

Ist181820: Photo of the photovoltaic panel setup.

Photo of the photovoltaic panel setup.

Painel Fotovoltaico

2019-10-24T12:02:49Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|14.5 $\times$ 9
|-
|Fotovoltaico
|15 $\times$ 10
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre o fluxo luminoso (intensidade da radiação visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ Fluxo luminoso para LEDs RGB
|-
|Cor
|Fluxo luminoso (lux)
|-
|Vermelho (R)
|1080
|-
|Verde (G)
|5780
|-
|Azul (B)
|7320
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a região de deplecção.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a região de deplecção, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na região de deplecção, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fotões na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na região de deplecção impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-22T14:13:55Z

Ist181820: /* Absorção de fótons na junção P-N */

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|14.5 $\times$ 9
|-
|Fotovoltaico
|15 $\times$ 10
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre o fluxo luminoso (intensidade da radiação visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ Fluxo luminoso para LEDs RGB
|-
|Cor
|Fluxo luminoso (lux)
|-
|Vermelho (R)
|1080
|-
|Verde (G)
|5780
|-
|Azul (B)
|7320
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fotões na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Photovoltaic panel

2019-10-22T13:59:12Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|14.5 $\times$ 9
|-
|Photovoltaic
|15 $\times$ 10
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the luminous flux (intensity of visible radiation) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs luminous flux
|-
|Colour
|Luminous flux (lux)
|-
|Red (R)
|1080
|-
|Green (G)
|5780
|-
|Blue (B)
|7320
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure 2;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-22T13:58:58Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|14.5 $\times$ 9
|-
|Fotovoltaico
|15 $\times$ 10
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre o fluxo luminoso (intensidade da radiação visível) emitido pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ Fluxo luminoso para LEDs RGB
|-
|Cor
|Fluxo luminoso (lux)
|-
|Vermelho (R)
|1080
|-
|Verde (G)
|5780
|-
|Azul (B)
|7320
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-17T14:52:56Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico, como mostrado na figura 2;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Photovoltaic panel

2019-10-17T14:51:09Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure 2;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T21:05:19Z

Ist181820: /* Descrição */

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo SMD5050, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Photovoltaic panel

2019-10-15T21:05:02Z

Ist181820: /* Description */

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model SMD5050, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T21:01:49Z

Ist181820: /* Bibliografia */

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<references />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Photovoltaic panel

2019-10-15T21:01:30Z

Ist181820: /* Links */

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Photovoltaic panel

2019-10-15T21:01:17Z

Ist181820: /* Links */

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=

*[[ Painel Fotovoltaico | Portuguese Version (Versão em Português)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T21:00:23Z

Ist181820: /* Links */

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =

*[[ Photovoltaic panel | Versão em Inglês (English Version)]]

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T20:46:19Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
Os paineis fotovoltaicos baseam-se em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, indicando que este material não é um condutor nem um isolante. Um semicondutor puro pode ser dopado através da adição de iões de impurezas específicas, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 electrões de valência, os iões dopantes de impurezas de menor valência tornam-se aceitadores de elctrões e as impurezas de maior valência tornam-se dadores de electrões. Para o primeiro caso, se não houver electrões livres, produzem-se estados de carga positiva, conhecidos como buracos, que se movem através do material e actuam como portadores maioritários. No caso dos dadores de electrões, existe um excesso de electrões livres que actuam como portadores maioritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica encontram-se em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contacto com um material do tipo n, forma-se uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de electrões do material do tipo n (dador) move-se para o material do tipo p (aceitador) e os buracos em excesso do material do tipo p movem-se para o material do tipo n. Esta movimentação de cargas ocorre até que um estado estacionário seja alcançado. Neste estado, o campo elétrico causado pela acumulação de cargas de sinais opostos em cada um dos lados da junção equilibra a difusão decorrente das diferentes concentrações de electrões livres e buracos. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n é criada uma zona sem portadores maioritários - a zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de livres e buracos podem ser espontaneamente gerados a partir de estados ligados, principalmente devido a excitação térmica. Quando tais portadores são gerados ou são capazes de se difundir para a zona de esgotamento, são puxadas electrostaticamente de acordo com os seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de esgotamento, existe uma corrente de recombinação inversa $I_r$, que resulta da recombinação de electrões e buracos provenientes dos diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação electeão-buraco corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, a corrente total é nula porque $I_r = I_g$. No entanto, se uma polarização externa positiva for aplicada à junção $V_b$, a corrente de recombinação é $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resulta numa corrente total no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo. A única diferença é que, num diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta a radiação eletromagnética, um processo de formação de pares electrão-buraco é responsável pela maior parte da sua absorção. Como anteriormente visto, a formação destes pares resulta na criação de dois portadores de carga. Quando a criação de tais portadores ocorre perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de esgotamento impede a sua recombinação e produz uma corrente, $I_L $, num circuito conectado externamente. Esta corrente é muito maior do que a corrente resultante da geração térmica de pares electrão-buraco já presente, fazendo com que a junção p-n se comporte como uma fonte de corrente. A corrente total produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes numa junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Diferentes correntes existentes numa junção p-n iluminada. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T20:24:03Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Photovoltaic panels are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T20:22:08Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada em três modos distintos:
;Varrimento de ângulo:
: o painel fotovoltaico é rodado de -20º a 100º em etapas do 1º, mantendo constantes a cor selecionada e a resistência de carga;
;Varrimento da resistência de carga:
: o valor da resistência de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo constantes a cor e o ângulo selecionados;
;Encontrar resistência de carga correspondente à máxima potência:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor da resistência de carga que maximiza a potência extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início da experiência, é retornada uma tabela com a data/hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor da resistência de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente na resistência de carga e a potência total consumida nesta resistência.

A aplicação permite ainda visualizar em tempo real os dados que vão sendo recolhidos.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T20:17:11Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
|Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada de três modos diferentes:
;Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
;Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
;Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T20:16:48Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
|99 $\times$ 99
|-
Fotovoltaico
|99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada de três modos diferentes:
;Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
;Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
;Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T20:15:38Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparato experimental utilizado. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa e renovável, em rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injectada na rede elétrica.

A presente experiência pretende estudar vários factores que afetam a característica, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico. Para tal, um painel de LEDs fixo, contendo vários LEDs RGB, é usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico. Este painel fotovoltaico pode rodar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo estudar os imapctos desta quantidade na tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Este simples aparato experimental permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em ambientes reais, contribuindo para a compreensão dos desafios e detalhes relacionados com tal uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Representação esquemática da experiência. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado é composto por três componentes principais:
;Painel de LEDs:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizados numa grelha 18 x 9. Cada um destes LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico POLY-MONO-XXXX-cristalino montado sobre um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um motor servo que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre os painéis LED e fotovoltaico.
;Resistência de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a uma resistência variável que atua como a carga que é alimentada pelo painel. O valor de tal resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaico encontram-se na tabela seguinte.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
| 99 $\times$ 99
| -
Fotovoltaico
| 99 $\times$ 99
|}

A figura 2 mostra uma representação esquemática da experiência. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico a 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED chega ao painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, colocando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o utilizador deve ter em conta que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) constituinte de cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Deste modo, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) emitida pelos LEDs das diferentes cores.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O utilizador pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelho (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade da componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura 1;
;Resistência de carga:
: De 1 a 100, esta quantidade é proporcional à resistência de carga conectada ao painel fotovoltaico;

Mais ainda, a experiência pode ser executada de três modos diferentes:
;Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
;Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
;Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T19:59:10Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:
;Painel de LED:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
;Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.
;Resistor de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
| 99 $\times$ 99
| -
Fotovoltaico
| 99 $\times$ 99
|}

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelha (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;
;Resistor de carga:
: De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes:
;Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
; Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
; Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T19:57:36Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

<div class = "toccolours mw-recolhível mw-recolhido" style = "width: 320px">
'' '' Links ''
<div class = "mw-collapsible-content">

* Vídeo: rtsp: //elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
* Laboratório: Intermediário em [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
* Sala de controle: Mag_3D
* [http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Gravação]
*Grau: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:
;Painel de LED:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.
Resistor de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

{|class = "wikitable"
|+Dimensões dos painéis (cm)
|-
|LEDs RGB
| 99 $\times$ 99
| -
Fotovoltaico
| 99 $\times$ 99
|}

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

{|class = "wikitable"
|+ LEDs RGB de energia
|-
|Cor
|Potência (unidade!)
|-
|Vermelho (R)
|999
|-
|Verde (G)
|999
|-
|Azul (B)
|999
|}

== Configuração ==

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
;Intensidade vermelha (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
;Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;
;Resistor de carga:
: De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes:
;Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
; Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
; Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 $\Omega \cdot m$, o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 $\Omega \cdot cm$.

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, $I_g$. Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa $I_r$, que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque $I_r = I_g$. No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção $V_b$, a corrente de recombinação será $I_r = I_g \cdot e ^ {eV_b / k_B T} $, o que resultará em uma corrente líquida no escuro, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, $I_g$ é substituído por $I_0 $, a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, $I_L $, em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[Arquivo: Photon_absor.PNG || thumb | Fig. 3 - Diferentes correntes existentes em uma junção p-n iluminada. | centro | 350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T19:52:47Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

<div class = "toccolours mw-recolhível mw-recolhido" style = "width: 320px">
'' '' Links ''
<div class = "mw-collapsible-content">

* Vídeo: rtsp: //elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
* Laboratório: Intermediário em [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
* Sala de controle: Mag_3D
* [http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Gravação]
*Grau: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[Arquivo: Pv_panel.jpg || thumb | Fig. 2 - Representação esquemática do experimento. | direita | borda | 250px]]

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:
;Painel de LED:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.
Resistor de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

{| class = "wikitable"
| + Dimensões dos painéis (cm)
| -
LEDs RGB
| 99 \ (\ times \) 99
| -
Fotovoltaico
| 99 \ (\ times \) 99
|}

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

{| class = "wikitable"
| + LEDs RGB de energia
| -
Cor
| Potência (unidade!)
| -
| Vermelho (R)
999
| -
Verde (G)
999
| -
Azul (B)
999
|}

== Configuração ==

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
Intensidade vermelha (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;
Resistor de carga:
: De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes:
Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
; Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
; Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 \ (\ Omega \ cdot m \), o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 \ (\ Omega \ cdot cm \).

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, \ (I_g \). Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa \ (I_r \), que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque \ (I_r = I_g \). No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção \ (V_b \), a corrente de recombinação será \ (I_r = I_g \ cdot e ^ {eV_b / k_B T} \), o que resultará em uma corrente líquida no escuro, \ (I_D \):

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, \ (I_g \) é substituído por \ (I_0 \), a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, \ (I_L \), em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<= I_D - I_L = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[Arquivo: Photon_absor.PNG || thumb | Fig. 3 - Diferentes correntes existentes em uma junção p-n iluminada. | centro | 350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T19:50:25Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[Arquivo: Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Foto do aparelho experimental.|right|border|250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

<div class = "toccolours mw-recolhível mw-recolhido" style = "width: 320px">
'' '' Links ''
<div class = "mw-collapsible-content">

* Vídeo: rtsp: //elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
* Laboratório: Intermediário em [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
* Sala de controle: Mag_3D
* [http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Gravação]
*Grau: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[Arquivo: Pv_panel.jpg || thumb | Fig. 2 - Representação esquemática do experimento. | direita | borda | 250px]]

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:
;Painel de LED:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.
Resistor de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

{| class = "wikitable"
| + Dimensões dos painéis (cm)
| -
LEDs RGB
| 99 \ (\ times \) 99
| -
Fotovoltaico
| 99 \ (\ times \) 99
|}

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

{| class = "wikitable"
| + LEDs RGB de energia
| -
Cor
| Potência (unidade!)
| -
| Vermelho (R)
999
| -
Verde (G)
999
| -
Azul (B)
999
|}

== Configuração ==

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
Intensidade vermelha (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;
Resistor de carga:
: De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes:
Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
; Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
; Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 \ (\ Omega \ cdot m \), o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 \ (\ Omega \ cdot cm \).

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, \ (I_g \). Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa \ (I_r \), que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque \ (I_r = I_g \). No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção \ (V_b \), a corrente de recombinação será \ (I_r = I_g \ cdot e ^ {eV_b / k_B T} \), o que resultará em uma corrente líquida no escuro, \ (I_D \):

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, \ (I_g \) é substituído por \ (I_0 \), a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, \ (I_L \), em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<= I_D - I_L = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[Arquivo: Photon_absor.PNG || thumb | Fig. 3 - Diferentes correntes existentes em uma junção p-n iluminada. | centro | 350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T19:49:16Z

Ist181820:

= Descrição da experiência =
[[Arquivo: Pv_panel.jpg || thumb | Fig. 1 - Foto do aparelho experimental. | direita | borda | 250px]]

A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia limpa, renovável e de rápido crescimento. Os painéis fotovoltaicos usam radiação solar para produzir eletricidade, que pode ser usada localmente ou injetada na rede elétrica.

O experimento atual pretende estudar vários fatores que afetam as características, a eficiência e a potência de um painel fotovoltaico específico. Para isso, um painel de LED fixo contendo vários LEDs RGB foi usado como fonte de radiação para um painel fotovoltaico, que pode girar e, consequentemente, variar o ângulo que faz com o painel de LEDs. Além disso, a resistência da carga conectada ao painel fotovoltaico também pode ser variada, permitindo o estudo de como essa quantidade afeta a tensão, corrente e potência produzidas pelo painel fotovoltaico.

Essa configuração simples permite a simulação e análise dos fatores mais relevantes que afetam o uso de painéis fotovoltaicos em um ambiente real, contribuindo para o entendimento dos desafios e detalhes relacionados a esse uso.

<div class = "toccolours mw-recolhível mw-recolhido" style = "width: 320px">
'' '' Links ''
<div class = "mw-collapsible-content">

* Vídeo: rtsp: //elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
* Laboratório: Intermediário em [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
* Sala de controle: Mag_3D
* [http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Gravação]
*Grau: **

</div>
</div>

= Aparato Experimental =

== Descrição ==
[[Arquivo: Pv_panel.jpg || thumb | Fig. 2 - Representação esquemática do experimento. | direita | borda | 250px]]

O aparato experimental utilizado para o presente experimento é composto por três componentes principais:
;Painel de LED:
: um painel fixo contendo 162 LEDs RGB do modelo XXXX, organizado em uma grade de 18 x 9. Cada um desses LEDs RGB é composto internamente por 3 LEDs (vermelho, verde e azul) que podem ser controlados independentemente, permitindo a seleção de qualquer cor desejada.
Painel fotovoltaico:
: um painel fotovoltaico cristalino POLY-MONO-XXXX montado no topo de um eixo rotativo. Este eixo está conectado a um servo motor que permite a rotação do painel e, consequentemente, a variação do ângulo entre o LED e os painéis fotovoltaicos.
Resistor de carga variável:
: o painel fotovoltaico está conectado a um resistor variável que atua como a carga sendo alimentada pelo painel. O valor dessa resistência também pode ser variado.

As dimensões dos painéis LED e fotovoltaicos podem ser vistas na tabela a seguir.

{| class = "wikitable"
| + Dimensões dos painéis (cm)
| -
LEDs RGB
| 99 \ (\ times \) 99
| -
Fotovoltaico
| 99 \ (\ times \) 99
|}

Uma representação esquemática do experimento é mostrada na figura 2. É importante notar que a colocação do painel fotovoltaico em 0º corresponde a ter os dois painéis paralelos, ou seja, o máximo de radiação emitida pelo painel LED está atingindo o painel fotovoltaico. O limite oposto corresponde ao painel fotovoltaico a 90º, tornando ambos os painéis perpendiculares.

Por fim, o usuário deve levar em consideração que os três LEDs internos (vermelho, verde e azul) que compõem cada um dos LEDs RGB emitem com intensidades diferentes devido aos diferentes comprimentos de onda e processos de produção. Dessa forma, a tabela abaixo mostra a relação entre a potência (XXXX ou intensidade? Unidades de verificação!) Emitida pelas cores dos vários LEDs.

{| class = "wikitable"
| + LEDs RGB de energia
| -
Cor
| Potência (unidade!)
| -
| Vermelho (R)
999
| -
Verde (G)
999
| -
Azul (B)
999
|}

== Configuração ==

O usuário pode definir os seguintes parâmetros experimentais:
Intensidade vermelha (R):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente vermelho de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade verde (G):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente verde de acordo com o modelo de cores RGB;
Intensidade azul (B):
: De 0 a 255, corresponde à intensidade do componente azul de acordo com o modelo de cores RGB;
;Ângulo:
: De -20º a 100º, é o ângulo entre os painéis fotovoltaico e LED, como mostra a figura XXXX;
Resistor de carga:
: De 1 a 100, essa quantidade é proporcional ao resistor de carga conectado ao painel fotovoltaico;

Além disso, o experimento pode ser executado de três modos diferentes:
Varredura de ângulo:
: o painel fotovoltaico é girado de -20º a 100º com etapas do 1º, mantendo constante a cor selecionada e o resistor de carga;
; Varredura do resistor de carga:
: o valor do resistor de carga varia de 1 a 100 com as etapas de 1, mantendo a cor e o ângulo selecionados constantes;
; Findmax do resistor de carga:
: para uma determinada cor e ângulo selecionados, o valor do resistor de carga que maximiza a energia extraída do painel é encontrado automaticamente através de um processo iterativo;

== Resultados ==
Após o início do experimento, é retornada uma tabela com a data / hora de cada medição, o ângulo entre os painéis, o valor do resistor de carga e os elementos medidos em cada ponto: a tensão e a corrente no resistor de carga e o energia total consumida neste resistor.

Além disso, o aplicativo permite a visualização em tempo real dos dados que estão sendo coletados.

= Física =
== Semicondutores ==
As células solares são baseadas em junções p-n de silício. O silício puro é um semicondutor intrínseco com uma condutividade elétrica de cerca de 2500 \ (\ Omega \ cdot m \), o que significa que não é um condutor nem um isolador. Um semicondutor puro pode ser dopado adicionando íons de impureza específicos, criando semicondutores extrínsecos. Considerando que o silício possui 4 elétrons de valência, os íons dopantes de impureza de menor valência se tornarão aceitadores de elétrons e as impurezas de maior valência se tornarão doadores de elétrons. Para o primeiro caso, se não houver elétrons livres, estados de carga positiva serão produzidos; estes são conhecidos como orifícios e movem-se através do material atuando como transportadores majoritários. No caso de doadores de elétrons, haverá um excesso de elétrons livres que atuam como portadores majoritários. Para o silício dopado, os valores típicos de condutividade elétrica são em torno de 10 \ (\ Omega \ cdot cm \).

== Junções P-N ==
Quando um material do tipo p entra em contato com um material do tipo n, é criada uma região de mudança de dopante - a junção p-n. Quando essa junção é criada, o excesso de elétrons doador do material do tipo n se move para o material do tipo p aceitador e os orifícios em excesso do material do tipo p se movem para o material do tipo n, o que acontece até que um estado estacionário seja alcançado. Sob esse estado, o campo elétrico causado pelo acúmulo de cargas de sinal oposto em cada lado da junção equilibra as forças difusivas decorrentes das diferentes concentrações de elétrons e orifícios livres. Em torno da interface entre os materiais do tipo p e n, é criada uma zona sem portadores majoritários. Essa zona é chamada de zona de esgotamento.

Em tal junção, pares de elétrons e orifícios podem ser gerados espontaneamente a partir de estados ligados, principalmente devido à excitação térmica. Quando essas transportadoras são geradas ou são capazes de se difundir na zona de depleção, elas são puxadas eletrostaticamente para baixo em seus respectivos gradientes de potencial, criando uma corrente de geração constante, \ (I_g \). Para manter o equilíbrio geral de corrente na zona de exaustão, existe uma corrente de recombinação reversa \ (I_r \), que resulta da recombinação de elétrons e orifícios provenientes de diferentes lados da junção. Cada evento de recombinação de buraco de elétron corresponde ao transporte de uma carga elementar através da junção.
Se a junção p-n não estiver iluminada e não tiver polarização externa, não haverá corrente líquida porque \ (I_r = I_g \). No entanto, se for aplicado um viés externo positivo, direto na junção \ (V_b \), a corrente de recombinação será \ (I_r = I_g \ cdot e ^ {eV_b / k_B T} \), o que resultará em uma corrente líquida no escuro, \ (I_D \):

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) </math>

Essa expressão é muito semelhante à característica de um diodo, com a única diferença que, em um diodo, \ (I_g \) é substituído por \ (I_0 \), a corrente de saturação.

== Absorção de fótons na junção P-N ==
Quando uma junção p-n é exposta à radiação eletromagnética, um processo de formação de um buraco de elétron causa sua absorção. Como visto anteriormente, essa formação de um par de elétrons-orifícios resulta na criação de dois portadores de carga. Se a criação dessa portadora de carga ocorrer perto de uma junção p – n, o campo interno na zona de exaustão impedirá a recombinação e produzirá uma corrente, \ (I_L \), em um circuito conectado externamente. Essa corrente é muito maior que a corrente resultante da geração térmica de pares elétron-buraco já presentes, o que faz com que a junção p-n se comporte como fonte de corrente. A corrente líquida produzida é dada por:

<= I_D - I_L = I_g \ cdot (e ^ {eV_b / k_B T} -1) - I_L </math>

A Figura 3 mostra os diferentes tipos de corrente existentes em uma junção p-n iluminada.

[[Arquivo: Photon_absor.PNG || thumb | Fig. 3 - Diferentes correntes existentes em uma junção p-n iluminada. | centro | 350px]]

= Estudos experimentais =

...

= Bibliografia =
<referências />

= Links =
versão pt!

Painel Fotovoltaico

2019-10-15T18:56:21Z

Ist181820: Created page with "test1!!!"

test1!!!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:51:46Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - Photo of the experimental apparatus. |right|border|250px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 2 - Schematic representation of the experiment. |right|border|250px]]

The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen in the following table.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure 2. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, the table below shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure 3 shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 3 - Different currents existing on an illuminated p-n junction. |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:48:46Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Pv_panel.jpg||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 2 - BLA BLA BLA |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

File:Pv panel.jpg

2019-10-15T18:48:12Z

Ist181820: Representation of photovoltaic panel experimental apparatus.

Representation of photovoltaic panel experimental apparatus.

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:09:12Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$.

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 2 - BLA BLA BLA |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:07:13Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristics, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, current and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environment, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed of three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into an 18 x 9 grid. Each one of these RGB LEDs is internally composed of 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired colour.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colours.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB colour model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB colour model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB colour model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected colour and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected colour and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected colour and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real-time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady-state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called the depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on an illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 2 - BLA BLA BLA |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:02:10Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on a illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 2 - BLA BLA BLA |center|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:01:41Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on a illuminated p-n junction.

[[File:Photon_absor.PNG||thumb|Fig. 2 - BLA BLA BLA |right|border|350px]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T18:00:07Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

Figure XXXX shows the different types of current existing on a illuminated p-n junction.
[[File:Photon_absor.PNG|200px|thumb|left|currents on p-n junction]]

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

File:Photon absor.PNG

2019-10-15T17:54:37Z

Ist181820:

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:50:05Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

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=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:49:39Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:

<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>

This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:

<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

ESCOLHER IMAGEM FIXE DE JUNÇAO PN PARA MOSTRAR!!!! maybe photon_absor.PNG de TEner document

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:45:12Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors==
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:
<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>
This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

==Photon absorption at P-N junction==
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:
<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

ESCOLHER IMAGEM FIXE DE JUNÇAO PN PARA MOSTRAR!!!! maybe photon_absor.PNG de TEner document

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:43:37Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 $\times$ 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
=Semiconductors=
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:
<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>
This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

=Photon absorption at P-N junction=
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:
<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

ESCOLHER IMAGEM FIXE DE JUNÇAO PN PARA MOSTRAR!!!! maybe photon_absor.PNG de TEner document

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:41:14Z

Ist181820:

=Experiment description=
[[File:Axes_&_Coil.png||thumb|Fig. 1 - BLA BLA BLA |right|border|236px]]

Photovoltaic solar energy is a clean, renewable and fast-growing source of energy. Photovoltaic panels use solar radiation to produce electricity, which can be used locally or injected into the electrical grid.

The current experiment intends to study several factors that affect the characteristic, efficiency and power output of a particular photovoltaic panel. To achieve this, a fixed LED panel containing several RGB LEDs was used as the source of radiation for a photovoltaic panel, which can rotate and, consequently, vary the angle it makes with the LED panel. Furthermore, the load resistance connected to the photovoltaic panel can also be varied, enabling the study of how this quantity affects the voltage, currrent and power yielded by the photovoltaic panel.

This simple setup allows the simulation and analysis of the most relevant factors affecting the use of photovoltaic panels in a real environement, contributing to the understanding of the challenges and details related to such use.

<div class="toccolours mw-collapsible mw-collapsed" style="width:320px">
'''Links'''
<div class="mw-collapsible-content">

*Video: rtsp://elabmc.ist.utl.pt/mag3d.sdp
*Laboratory: Intermediate in [http://e-lab.ist.utl.pt elab.tecnico.ulisboa.pt]
*Control Room: Mag_3D
*[http://www.elab.ist.utl.pt/wp-content/gallery/Mag3D/Videos/e_lab_Mag3D.m4v Recording]
*Grade: **

</div>
</div>

=Experimental Apparatus=

==Description==
The experimental apparatus used for the present experiment is composed by three main components:
;LED panel:
: a fixed panel containing 162 RGB LEDs of model XXXX, organised into a 18 x 9 grid. Each one of this RGB LEDs is internally composed by 3 LEDs (red, green and blue) which can be independently controlled, enabling the selection of any desired color.
;Photovoltaic panel:
: a POLY-MONO-XXXX-crystalline photovoltaic panel assembled on top of a rotating axis. This axis is connected to a servo motor which allows the rotation of the panel and, consequently, the variation of the angle between the LED and photovoltaic panels.
;Variable load resistor:
: the photovoltaic panel is connected to a variable resistor which acts as the load being powered by the panel. The value of such resistance can also be varied.

The dimensions of the LED and photovoltaic panels can be seen on table XXXX.

{|class="wikitable"
|+Panels' dimensions (cm)
|-
|RGB LEDs
|99 \times 99
|-
|Photovoltaic
|99 $\times$ 99
|}

A schematic representation of the experiment is shown in figure XXXX. It is important to note that the placement of the photovoltaic panel at 0º corresponds to having both panels parallel, i.e., the maximum of radiation emitted by the LED panel is reaching the photovoltaic panel. The opposing limit corresponds to the photovoltaic panel at 90º, making both panels perpendicular.

Finally, the user should take into account that the 3 internal LEDs (red, green and blue) composing each one of the RGB LEDs emit with different intensities due to their different wavelengths and productions processes. This way, table XXXX shows the relation between the power (XXXX or intensity? check units!) emitted by the various LEDs' colors.

{|class="wikitable"
|+RGB LEDs power
|-
|+Colour
|Power (unit!)
|-
|Red (R)
|999
|-
|Green (G)
|999
|-
|Blue (B)
|999
|}

==Configuration==

The user can define the following experimental parameters:
;Red (R) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the red component according to the RGB color model;
;Green (G) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the green component according to the RGB color model;
;Blue (B) intensity:
:From 0 to 255, corresponds to the intensity of the blue component according to the RGB color model;
;Angle:
:From -20º to 100º, it is the angle between the photovoltaic and LED panels, as shown by figure XXXX;
;Load resistor:
:From 1 to 100, this quantity is proportional to the load resistor connected to the photovoltaic panel;

Moreover, the experiment can be executed in three different modes:
;Angle sweep:
:the photovoltaic panel is rotated from -20º up to 100º with steps of 1º, maintaining the selected color and load resistor constant;
;Load resistor sweep:
:the value for the load resistor is varied from 1 to 100 with steps of 1, maintaining the selected color and angle constant;
;Load resistor findmax:
:for a given selected color and angle, the value of load resistor which maximizes the power extracted from the panel is automatically found through an iterative process;

==Results==
After launching the experiment, a table is returned with the date/hour of each measurement, the angle between the panels, the value of the load resistor, and the elements measured in each point: the voltage and current on the load resistor, and the total power consumed on this resistor.

Furthermore, the application allows the visualization in real time of the data being collected.

=Physics=
==Semiconductors=
Solar cells are based on silicon p-n junctions. Pure silicon is an intrinsic semiconductor with an electrical conductivity of about 2500 $\Omega \cdot m$, which means it is not a conductor nor an insulator. A pure semiconductor can be doped by adding specific impurity ions, creating extrinsic semiconductors. Taking into account that silicon has 4 valence electrons, impurity dopant ions of less valency will become electron acceptors and impurities of higher valency become electron donors. For the first case, if there are not any free electrons, positively charged states will be produced; these are known as holes and move through the material acting as majority carriers. In the case of electron donors, there will be an excess of free electrons which act as the majority carriers. For doped silicon, typical values of electrical conductivity are around 10 $\Omega \cdot cm$. \par

==P-N junctions==
When a p-type material comes into contact with an n-type material, a region of dopant change is created - the p-n junction. When such a junction is created, excess donor electrons from the n-type material move to the acceptor p-type material and the excess holes from the p-type material move to the n-type material, which happens until a steady state is reached. Under this state, the electric field caused by the accumulation of charges of opposite sign on each side of the junction balances the diffusive forces arising from the different concentrations of free electrons and holes. Around the interface between the p and n-type materials, a zone without majority carriers is created. This zone is called depletion zone.

In such a junction, pairs of electrons and holes can be spontaneously generated from bound states, mainly due to thermal excitation. When these carriers are generated in or are able to diffuse to the depletion zone, they are pulled electrostatically down their respective potential gradients, creating a constant generation current, $I_g$. To maintain the overall balance of current across the depletion zone, there is a reverse recombination current, $I_r$, that results from the recombination of electrons and holes coming from different sides of the junction. Each electron-hole recombination event corresponds to the transport of one elementary charge across the junction.
If the p-n junction is not illuminated and has no external bias, there will be no net current because $I_r=I_g$. However, if a positive, forward, external bias across the junction, $V_b$, is applied, the recombination current will be $I_r = I_g \cdot e^{eV_b/k_B T}$, which will result in a net current in the dark, $I_D$:
<math> I_D = I_r - I_g = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) </math>
This expression is very similar to the characteristic of a diode, with the only difference being that, in a diode, $I_g$ is replaced by $I_0$, the saturation current.

\subsection{Photon absorption at P-N junction}
When a p-n junction is exposed to electromagnetic radiation, a process of electron-hole formation causes its absorption. As previously seen, such formation of an electron-hole pair results in the creation of two charge carriers. If this charge carrier creation occurs near a p–n junction, the built-in field across the depletion zone prevents recombination and produces a current, $I_L$, in an externally connected circuit. This current is much larger than the current arising from the thermal generation of electron-hole pairs already present, which makes the p-n junction behave as a current source. The net current produced is given by:
<math> I = I_D - I_L = I_g \cdot (e^{eV_b/k_B T}-1) - I_L </math>

ESCOLHER IMAGEM FIXE DE JUNÇAO PN PARA MOSTRAR!!!! maybe photon_absor.PNG de TEner document

=Experimental studies=

...

=Bibliography=
<references />

=Links=
versão pt!

Photovoltaic panel

2019-10-15T17:40:42Z

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