Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Чернівецький національний університет

імені Юрія Федьковича

Фізика сонячних елементів

Лабораторний практикум

Чернівці

Чернівецький національний університет

2013

УДК 621.383.51(076.5)

ББК 31.252.8я 73-5

Ф 503

Друкується за ухвалою редакційно-виконавчої ради

Чернівецького національного університету імені Юрія Федьковича

Укладачі Ілащук Марія Іванівна, Сльотов Олексій Михайлович

Ф 503	Фізика сонячних елементів : лабораторний практикум / укл. : М. І. Ілащук, О. М. Сльотов – Чернівці : Чернівецький нац. ун-т, 2013. – 70 с.
	У лабораторному практикумі наведені елементи теорії функціонування твердотільних фотоелектричних перетворювачів сонячної енергії в електричну, методика проведення експерименту та обробка отриманих результатів, питання для контролю знань, а також рекомендована література. Для студентів фізичних та інженерно-технічних факультетів вузів.

УДК 621.383.51(076.5)

ББК 31.252.8я 73-5

© Чернівецький національний університет, 2013

© Ілащук М. І., Сльотов О. М., 2013

ЗМІСТ

Вступ  4

Лабораторна робота № 1. Вивчення умов формування випрям­ляю­чого контакту металу з напівпровідником  7

Лабораторна робота № 2. Дослідження впливу поверхневих енергетичних станів на електричні властивості випрямляючого контакту металу з напів­провід­ником  20

Лабораторна робота № 3. Дослідження електричних власти­вос­тей різких напівпровідникових p–n-переходів  31

Лабораторна робота № 4. Дослідження світлової вольт-амперної характеристики сонячного елемента та визначення його основних параметрів  48

Лабораторна робота № 5. Вивчення впливу внутрішніх опорів фото­перетворю­ва­ча на ефективність його роботи  60

Список літератури  69

ВСТУП

Сонячна енергетика поряд із енергією вітру та рослин є одним з джерел відновлюваної енергії, які зобов’язані своїм існуванням енергії Сонця. Cучасні сонячні батареї збираються з великої кількості сонячних елементів, які між собою можуть з’єднуватися паралельно, послідовно або паралельно-послідовно. Сонячні елементи – це напівпровідникові фотоелек­трич­ні пристрої, призначені для прямого перетворення сонячного випромінювання в електричний струм. Найчастіше сонячний елемент – це твердотільна конструкція, яка складається із напівпровідникових матеріалів, що добре поглинають сонячне випромінювання, а також металевих та діелектричних шарів.

Якщо уважно подивитися на темпи зростання внеску сонячної енергетики в загальну, то вони вже зараз досить високі та пришвидшуються з часом. Такі країни, як США, Японія, Китай та розвинені європейські країни планують у найближчі роки (приблизно до 2050 р.) довести виробництво електроенергії з використанням сонячних батарей до 30 – 50 %.

Останніми роками цей процес пішов більш активно і в Україні. Так, у 2011 р. у Криму була побудована та введена в експлуатацію сонячна електростанція потужністю 100 МВт.

Оскільки при такому швидкому зростанні внеску сонячної енергетики все більша кількість спеціалістів працюватиме в даній сфері, то для неї потрібно готувати кадри вже зараз. Звичайно, що такий спеціаліст повинен чітко засвоїти фізичні основи сонячної енергетики та володіти достатньо простим, але фундаментальним математичним апаратом, який застосовується при визначенні основних параметрів сонячних елементів. Тому метою лабораторного практикуму до лекційного курсу “Фізика сонячних елементів” є формування у студентів професійних знань і навичок при дослідженні електричних та фотоелектрич­них властивостей напівпровідникових бар’єрних структур і сонячних елементів, виготовлених на їх основі.

У лабораторному практикумі наведені основні законо­мірності процесів, які відбуваються в області випрямляючих контактів метал – напівпровідник та в напівпровідникових гомо­генних p – n-переходах, викладені принципи функціонування напівпровідникових сонячних елементів, проаналізована залежність ефективності їх роботи як від властивостей базового матеріалу, так і від основних параметрів самого фотоперетворювача.

При розгляді кінетичних явищ у таких випрямляючих системах звернута увага на утворення в них потенціальних бар’єрів та природу основних механізмів струмоперенесення. Указано, що при проходженні носіїв заряду через випрямляючий контакт метал – напівпровідник важливим є співвідношення між довжиною вільного пробігу електронів чи дірок і шириною області просторового заряду. Саме воно визначає можливість використання відповідних теорій (діодної чи дифузійної) для знаходження вольт-амперної характеристики вказаних поверхнево-бар’єрних структур. Звернута увага на те, що для більшості реальних контактів металу з напівпровідником між компонентами структури утворюється тонкий діелектричний шар, а на межі поділу напівпровідник – діелектрик виникають локальні енергетичні стани. Розглянуто особливості формування потенціальних бар’єрів та механізмів струмоперенесення в таких випрямляючих системах.

На відміну від випрямляючих контактів метал – напівпровідник, у класичних p – n-переходах розглядається переміщення вільних носіїв заряду в обох областях та участь у вказаних процесах як основних, так і неосновних носіїв заряду. Наведена залежність висоти потенціального бар’єра від концентрації домішок в електронній та дірковій частинах напівпровідника та його ширини забороненої зони. Міститься виведення й детальний аналіз ВАХ тонкого p – n-переходу.

На основі гомогенного p – n-переходу розглянуті режими роботи напівпровідникового фотоперетворювача, введені основні параметри, що характеризують його фотоелектричні властивості та ефективність роботи. Аналізуються механізми збору нерівноважних носіїв заряду в бар’єрній області і квазінейтральних ділянках приладу та отриманий аналітичний вираз для струму короткого замикання. Розглянуто природу струмів, що протікають через електричний перехід при освітленні фотоперетворювача та виведене співвідношення, яке визначає його вольт-амперну характеристику. Проаналізовано ефективність роботи сонячного елемента та шляхи її підвищення.

Описані експериментальні методики дослідження світлових і темнових ВАХ сонячних елементів. Розглянуті способи їх аналізу та визначення основних параметрів фотоперетворювачів, таких як: контактна різниця потенціалів, коефіцієнт неідеаль­ності ВАХ, струм короткого замикання, напруга холостого ходу, максимальна потужність, коефіцієнт заповнення ВАХ. Наведена методика визначення послідовного та шунтуючого опорів фоточутливих структур і розрахунку втрат потужності сонячних елементів на цих опорах. Значна увага приділена вимірюванню вольт-фарадних характеристик та визначенню на їх основі висоти потенціального бар’єра, товщини електричного переходу, концентрації домішок та їх розподілу в перехідній області приладу.

Лабораторний практикум розрахований на студентів фізичних та інженерно-технічних факультетів університетів і може бути особливо корисним для майбутніх фахівців із конструювання ефективних сонячних елементів та інших приладів напівпровідникової мікроелектроніки на основі випрямляючих структур.