Измерение основных характеристик солнечного элемента

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом работы солнечного элемента, экспериментально построить вольтамперную и нагрузочную характеристики солнечного элемента.

Используемое оборудование и материалы: солнечный элемент, источник света, вольтметр универсальный.

Теоретическая часть

Солнечные фотопреобразователи (элементы, батареи) представляют собой полупроводниковые фотодиоды, оптимизированные для прямого преобразования излучения Солнца в электрическую энергию (рис. 1). Солнечные элементы работают только в фотовентильном режиме, функционально выступая в качестве электрических батарей или других подобных источников питания.

Рис. 1. Типичная структура солнечного элемента

с p - n – переходом:

1 - контакт от лицевой поверхности предыдущего элемента; 2 - добавочный потенциальный барьер p⁺ 0,2 мкм; 3 – p-слой 250-400 мкм; 4 – n-слой 0,2-1,0 мкм; 5 - противоотражательное покрытие; 6 - лицевой контакт; 7 - к тыльному контакту следующего элемента; 8 - металлический контакт с тыльной стороны

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (переносная аппаратура, маяки, автоматические метеостанции).

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Другим, еще более существенным недостатком солнечного излучения как источника энергии является его низкая плотность. Поэтому эффективность солнечных батарей недостаточно велика по сравнению с другими широко исползуемыми методами получения электрической энергии.

Один из путей решения данной проблемы - снижение стоимости полупроводниковых материалов и СЭ. Благодаря разработке прогрессивных технологий получения СЭ на основе монокристаллического кремния их стоимость снижена до величины менее 10 долларов за 1 Вт установленной пиковой мощности СФЭУ при коэффициенте полезного действия около 15%. На основе ленточного поликристаллического, а также тонкопленочного аморфного кремния, созданы СЭ с КПД до 13 %. Такие же значения КПД достигнуты в тонкопленочных СЭ на основе гетеропереходов CuInSe₂-CdS.

Фотоэлектрические свойства p - n перехода

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки R_H. Рассмотрим вначале два крайних случая: R_H = 0 (режим короткого замыкания) и R_Н =∞ (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 2 а, б.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между p- и n- областями.

Рис. 2. Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении:

а - в режиме короткого замыкания; б - холостого хода;

в - включения на сопротивление нагрузки

Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в р-области.

Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p – n -перехода и попадают в n - область. Остальные электроны диффундируют к p - n - переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n - области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к р- области. На границе контакта к р- области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи p - n - перехода (рис. 2, б) фотоэлектроны, попадая в n- область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в р-области избыточные дырки заряжают р- область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U_XX . Полярность U_XX соответствует прямому смещению р-n- перехода. Поток генерированных светом носителей образует фототок I_ф. Величина I_ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через р-n - переход в единицу времени

(1)

где q - величина заряда электрона; Р_U - мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hν>Е_g создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs. При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 2, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения р - n - перехода, поэтому ток короткого замыкания I_КЗ равен фототоку

(2)

В режиме холостого хода (рис. 2, б) фототок I_ф уравновешивается «темновым» током I_T - прямым током через р – n - переход, возникающим при напряжении смещения U_XX. Абсолютное значение «темнового» тока откуда при I_ф >> I₀

(3)

где k – постоянная Больцмана, 1,38·10^-23 Дж/К = 0,86·10^-4 эВ/К; Т - абсолютная температура, К; I₀ - ток насыщения; А - параметр вольтамперной характеристики р – n - перехода, меняющийся для разных отрезков графика от 1 до 2.

Вольтамперная характеристика солнечного элемента

Найдем обобщенное выражение для вольтамперной характеристики освещенного р - n - перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При положительном напряжении смещения фототок I_ф вычитается из «темнового» тока р-n-перехода, а при отрицательном - суммируется с ним. Выражение для вольтамперной характеристики записывается в виде

(4)

Рассмотрим подключение к р-n - переходу варьируемого сопротивления нагрузки (рис. 2, в). Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением I_ф, а сам ток нагрузки I_Н равен результирующему току через р - n - переход (см. (1)). Принимая направление тока I_ф за положительное, для I_Н можно записать

(5)

здесь U_H - напряжение на нагрузке, равное напряжению на р-n - переходе. Выражение (5) описывает нагрузочную вольтамперную характеристику освещенного р-n -перехода. Нагрузочная ВАХ арсенид-галлиевого р – n - перехода для значения фототока I_ф = 1 А изображена на рис. 3, а, на этом же рисунке изображены ВАХ омических сопротивлений нагрузки

(6)

для R_H1 = 0,1 Ом, R_H2 =1,026 Ом и R_H3 =10 Ом.

Рис. 3. Нагрузочная ВАХ р - n - перехода и характеристики К_н при значениях 0,1 (1), 1,026 (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенного р – n - перехода с сопротивлением нагрузки (б)

При известных параметрах нагрузочной ВАХ (2) и заданном значении R_H величины I_H и U_H находятся методом последовательных приближений при совместном решении (5) и (6) либо графически, как это сделано на рис. 3, а. Если R_H мало, пересечение графиков происходит на горизонтальном участке нагрузочной ВАХ, т.е. на участке, где «темновым» током через р – n - переход можно пренебречь по сравнению с фототоком. По мере увеличения R_H ток через нагрузку уменьшается, так как с увеличением прямого смещения р – n -переход как бы шунтирует нагрузку.

Таким образом, освещенный р – n - переход в соответствии с выражением (4) может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения р – n - перехода, а диод представляет собой неосвещенный р – n - переход. При варьировании R_H фототок перераспределяется между нагрузкой и р-n- переходом.

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (4))

(7)

В режимах короткого замыкания и холостого хода Р = 0, поскольку либо I_H, либо U_H равны нулю.

Порядок выполнения работы

1. Подать напряжение питания на люминесцентные лампы лабораторного стенда.

2. Установить сопротивление нагрузки R в положение, соответствующее минимальному сопротивлению.

3. Изменяя сопротивление нагрузки R от минимального до максимального значений заносить показания вольтметра (напряжение на нагрузке U) и амперметра (ток нагрузки I). Изменение сопротивления рекомендуется производить таким образом, чтобы изменение напряжения находилось в пределах 1 ± 0,1 В.

4. Для всех снятых показаний по формуле 7 вычислить мощность Р, отдаваемую батареей солнечных элементов в нагрузку.

5. По полученным данным построить вольтамперную и нагрузочную характеристики батареи солнечных элементов (рис. 3).

6. По графику вольтамперной характеристики найти ток, соответствующий максимальной мощности, отдаваемой батареей солнечных элементов в нагрузку.

7. По графику нагрузочной характеристики определить напряжение, соответствующее максимальной мощности, отдаваемой батареей солнечных элементов в нагрузку.

Контрольные вопросы

1. Поглощение оптического излучения и световая генерация носителей заряда в полупроводниковом p - n переходе.

2. Вольт-амперная характеристика фотодиода при освещении.

3. Перечислите основные электрофизические параметры солнечных элементов.

4. Зависимость предельного КПД солнечных элементов от ширины запрещенной зоны используемых полупроводников.

5. Влияние концентрации солнечного излучения на характеристики фотопреобразователей.

6. От каких факторов зависит эффективность работы фотоэлектрическего полупроводникового преобразователя ФЭПП?

7. Поясните назначение элементов эквивалентной схемы замещения ФЭПП.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов / Колтун М.М. М.: Наука, 1985, 280 с.

2. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей / Раушенбах Г. М.: Энергоатомиздат, 1983, 360 с.

3. Неупорядоченные полупроводники / А.А. Айвазов, Б.Г. Будагян, С.П. Вихров, А.И. Попов. – М.: Изд − во МЭИ, 1995, 352 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4