1. Мета

1.1 Ознайомитись із процесом перетворення світлової енергії в електричну та визначити основні характеристики холостого ходу сонячного модуля при зміні кута падіння світлового потоку на нього та відстані до джерела світла. ККД перетворювача на прикладі сонячної батареї.

2. Прилади і матеріали:

2.1 Мультиметр, люксметр, лінійка, джерело світла, сонячний модуль.

3. Теоретичні відомості

Типова конструкція сонячного елемента (СЕ) показано на рис. 1. На напівпровідникову пластину із провідністю n-типу нанесено тонкий шар напівпровідника p – типу. На границі двох напівпровідників створюється p-n-перехід. Світло падає із сторони p – шару. Для включення СЕ в ланцюг є металеві контакти: суцільний із сторони n-шару та по периметру із освітлюваної сторони. Нагадаємо, що відбувається в p-n-переході за відсутності світла та зовнішнього джерела напруги. В області p-n переходу створюється подвійний електричний шар із позитивних та негативних іонів додаткових атомів, в результаті між p та n областями створюється контактна різниця потенціалів близька до 1В в переході із кремнію. При цьому через перехід протікає два невеликих рівних по величині та протилежних за напрямком струма: неосновних носіїв–I_S та основних носіїв +I_S. В результаті сумарний струм через перехід рівний нулю. Якщо до p – n переходу підключити резистор, струм в ньому буде відсутній. Хоча в контурі є різниця потенціалів U_K між p- і n - областями, напруга на резисторі все ж дорівнює нулю так як його компенсують контактні різниці потенціалів між напівпровідниками та металічними контактами. Таким чином, при відсутності світла та при однаковій температурі всіх ділянок замкненого ланцюга електричний струм відсутній у відповідності до закону збереження енергії.

Рисунок 1 - Типова конструкція сонячного елемента.

Зовнішні валентні електрони атомів напівпровідника належать кристалу в цілому, при цьому вони мають дискретні значення енергії, об'єднані в енергетичні зони. Поглинаючи квант світла, електрон займає більш високий енергетичний рівень в кристалі, наприклад, переходить із валентної зони в зону провідності, створюючи у валентній зоні вакансію (дірку). В результаті з’являються додаткові носії струму – електрони провідності та дірки. Це явище називається внутрішнім фотоефектом. Внутрішній фотоефект має «червону межу»: енергія кванту світла (фотона) повинна перевищувати ширину забороненої зони Eg ,що розділяє валентну зону та зону провідності, тобто hν≥Eg , де h - стала Планка, ν - частота світла. У кремнія внутрішній фотоефект має місце для хвиль довжиною λ≤ 1,1 мкм, тобто для видимого, УФ та ближнього інфракрасного випромінювання.

Розглянемо що відбувається в СЕ при освітленні. Випромінювання поглинається в p -області та генерує в ній електронно-діркові пари, що створюються поблизу р-n-перехода. Електрони (не основні носії в р -області) перекидаються контактним полем в n -область, заряджаючи її від’ємно. Більша частина дірок не може подолати потенційний бар’єр та залишається в p - області, заряджаючи її позитивно. Електричне поле контакту просторово розділяє від’ємні електрони та позитивні дірки, що створюються під дією світла. Внаслідок цього на переході формується пряме зміщення U , що понижує потенційний бар’єр на величину qU, де q - заряд електрона по модулю. Переміщення електронів через p-n-переход створює струм -I_Ф , що називається первинним фотострум, якому, як і струму не основних носіїв, додають від’ємний знак. Зменшення бар’єру веде до зростання струму основних носіїв, який стає рівним Isexp(qU/(kT)). Таким чином, через перехід протікають наступні струми: не основних носіїв -I_S, основних носіїв +I_Sexp(qU/(kT)) та первинний фотострум –I_ф . Повний струм через p- n- переход дорівнює

Ця формула описує ВАХ ідеального СЕ. Із неї легко визначити пряме зміщення.

Таким чином, при освітленні p-n-переходу контактна різниця потенціалів в ньому зменшилася на величину U, а інші – не змінилися. В результаті на клемах СЕ з’явилася напруга U, що називається фото-ЕРС, в опорі струм I . Виходить, p-n -переход став джерелом струму, в якому енергія світла перетворюється безпосередньо в електричну енергію. Так як фото-ЕРС дорівнює пониженню контактної напруги, вона не може перебільшити саму контактну напругу.

В СЕ потенційна енергія електронів підвищується за рахунок енергії фотонів, коли електрони переходять на більш високий енергетичний рівень в кристалі – із валентної зони в зону провідності. Первинний фотострум пропорційний потоку випромінення (потужності випромінення) Ф, падаючому на СЕ: Iф=α Ф , де α- коефіцієнт пропорційності. Струм I в навантаженні залежить від Iф та опору навантаження R. При короткому замиканні СЕ, коли опір дорівнює 0 напруга на опорі дорівнює 0, а струм, як виходить із (1), дорівнює I_Φ. Це значить, що всі генеровані світлом носії попадають у зовнішній контур, а висота бар’єра в p-n-переході не змінюється.