Зміст
Вступ	3
Розділ 1. Сонячні елементи на основі кремнію	5
1.1 Будова сонячних елементів 1.2. Вирощування кристалів кремнію	10
1.3. Основні принципи роботи сонячних елементів	12
Розділ 2. Літій-іонні акумулятори	15
2.1. Конструкція Li-ion акумуляторів	17
2.2. Характеристики Li-ion акумуляторів	19
2.3. Заряд Li-ion акумуляторів	20
2.4. Пристрої захисту Li-ion акумуляторних батарей	24
Розділ 3. Розрахунок сонячної батареї	27
Висновоки	38
Список використаної літератури	39

Вступ

Сонячний елемент (фотоелемент) - це напівпровідниковий прилад, який служить для перетворення світлової енергії в електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту, відкрите в 1887 році Генріхом Герцем.

Принцип роботи сучасних фотоелементів грунтується на напівпровідниковому p-n переході. При проникненні фотони в область, що прилягає до p-n переходу, створюється пара носіїв заряду: електрон і дірка. Одна з цих частинок є неосновним зарядом і з великою вірогідністю проникає через перехід. В результаті, виникли за рахунок поглинання енергії фотона зарядів, розділяються в просторі і не можуть рекомбінувати. Як наслідок порушується рівновага щільності зарядів. При підключенні елемента до зовнішнього навантаження в ланцюзі починає рухати електричний струм.

Напруга холостого ходу (Vхх) - максимальна напруга - це та ЕРС, яку може генерувати елемент. А струм короткого замикання (Iкз), - це максимальний струм (коли зовнішнє навантаження рівна нулю), - який може генерувати елемент. В робочому режимі напруга і струм менші, і при певних значеннях (V max та I max) елемент має максимальну потужність (P max).

Основні втрати енергії в фотоелементах пов'язані з низькою ефективністю перетворення фотона в електронно-діркову пару.

Сонячні елементи служать для електропостачання в віддалених від ЛЕП районах або на орбітальних станціях, де неможливо використовувати лінії електропередач, а також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів і т. д.

В серпні 2009 року вчені Університету Нового Північного Уэльса досягли рекордної ефективності сонячних елементів - 43%. Однак новий рекорд був встановлений тільки в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було фокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість всього обладнання далека від значень, які дозволять її виготовляти на промислових масштабах. Рекорд для однієї промислово випущеної сонячної батареї в реальних умовах складає близько 25%.

Монокристалічні фотоелементи - найбільш складні та дорогі, тому що для їх виготовлення потрібний кристалічний кремній, які мають найбільшу ефективність (14% -20% перетворення світла в електричну енергію).

Тонко плівкові фотоелементи - використовують тонкі плівки, виготовлені з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

В космічних апаратах використовуються також багато перехідні сонячні елементи або гетеро фотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n-переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких захоплює світло певного спектра. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності - 35% - 50%. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх менш розповсюдженими. Для підвищення ефективності трансформації світла також використовують концентруючу оптику. На даний момент ведуться дослідження з створення гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використання органічних напівпровідників.

Розділ 1. Сонячні елементи на основі кремнію

Кремній - другий за поширеністю (після кисню) елемент земної кори. У верхніх осадових шарах він міститься у вигляді глин, кварцу та інших з'єднань і становить 27,6% складу земної кори. У вільному стані в природі проста речовина Силіцію, кремній, не зустрічається, проте його в значних кількостях отримують штучно для потреб промисловості. Найпоширенішими сполуками силіцію є діоксид силіцію SiO₂ (силікатний ангідрид або кремнезем) і солі силікатної кислоти — силікати, що є основою всіх гірських порід. У невеликих кількостях сполуки силіцію входять також до складу організмів рослин. Близько 12 % літосфери складає кварц SiO₂ і його різновиди, а 75 % складають різні силікати і алюмосилікати (польові шпати, слюди, амфіболи).

Кремній є непрямозонним напівпровідником з шириною забороненої зони 1,12 еВ. Електричного струму чистий кремній майже зовсім не проводить. Електрична провідність кремнію сильно залежить від присутності домішок, які поділяють на два види: донори й акцептори. При переважанні донорів основними носіями заряду в кремнії є електрони провідності, при переважанні акцепторів — дірки. Такий кремній є напівпровідником n-типу й p-типу, відповідно.

Аморфний кремній можна одержати нагріванням діоксиду силіцію з магнієм:

Чистий кремній добувають звичайно так: суміш діоксиду силіцію і коксу при дуже високій температурі обробляють хлором і одержують тетрахлорид силіцію SiCl₄ (рідина з температурою кипіння 57,6°С). Останній старанно очищають перегонкою, а потім відновлюють парами дуже чистого цинку при 950°С. Хімічні реакції, що відбуваються при цьому, можна зобразити такими рівняннями:

На сучасному етапі розвитку фотоелектричного перетворення енергії найкраще застосовувати для сонячної батареї елементи з монокристалічного кремнію з p – n переходом, текстурованою поверхнею та оптимізованою формою фронтального та тилового контактів. При використанні перевірених способів монтажу термін експлуатації батареї складає 20 і більше років.

Кристалічний кремній. Монокристалічні кремнієві сонячні елементи (c-Si СЕ) виготовляють з кремнієвих пластин 0.3 мм (300 мкм) товщини шляхом легування їх відповідно донорними й акцепторними домішками, створення омічних контактів. Існують кілька типів конструкції монокристалічних сонячних елементів, що відрізняються способом формування, структурою й розташуванням контактів (рис. 1).

Рис. 1. Різні типи сонячних елементів на основі монокристалічного кремнію: а) простий p-n-перехід; б) метал-ізолятор-n-p-структура (MINP).

Основний недолік монокристалічних кремнієвих сонячних елементів – велика витрата порівняно дорогого високочистого кремнію, більша частина якого відіграє роль пасивної підкладки. Слід зазначити, що технологія виробництва сонячних елементів на кристалічному кремнії перебуває в майже ідеальному стані й досить складно знайти шляхи покращення вже існуючих технологічних процесів, відпрацьованих у протягом багатьох років у рамках виробництва мікроелектронних обладнань. Крім того, досить добре розроблена теорія фотогальванічних перетворень у монокристалі й на її основі створені комп'ютерні програми оптимізації параметрів монокристалічних сонячних елементів на основі кремнію. Єдиний шлях оптимізації с-Si СМ – це здешевлення вихідної сировини. Для зменшення собівартості кремнієвих сонячних елементів досліджується можливість використання як поглинача полі і мультикристалічного кремнію.

На самій межі дотику цих пластин є зона замикаючого шару. Цей шар протидіє переходу надлишкових електронів з шару «n» у шар «p», де даних електронів не вистачає (місця з відсутніми електронами називають дірками). Якщо підключити до подібного напівпровідника зовнішнє джерело живлення («+» до «p» і «-» до «n»), то зовнішнє електричне поле змусить електрони подолати замикаючу зону і через провідник потече струм.

Щось подібне відбувається і при дії сонячного випромінювання на сонячний елемент. Коли фотон світла влітає в шари «n» і «p», він передає свою енергію електронам (що знаходяться на зовнішній оболонці атомів), котрі вивільняються, а на їх місці з’являється дірка. Електрони з отриманою енергією вільно долають замикаючий шар напівпровідника і переходять з шару «p» в шар «n», а дірки, навпаки, переходять з шару «n» у шар «p».

Цьому переходу електронів їх області «p» в область «n» і дірок з області «n» у область «p», також сприяють електричні поля позитивних зарядів, що знаходиться в зоні «n» провідника і негативних - в зоні «p », які ніби втягують в себе, одні - електрони, інші - дірки. У підсумку, шар «n» набуває додаткового негативного заряду, а «p» - позитивного. Результатом цього явища буде поява в напівпровіднику різниці потенціалів (напруги) між двома пластинами близької до 0.5 В.

Сила електричного струму, який може генерувати сонячний елемент, змінюється пропорційно кількості захоплених поверхнею фотоелемента фотонів. Цей показник, у свою чергу, також залежить від безлічі додаткових чинників: інтенсивності світлового випромінювання, площі, що має фотоелемент, часу експлуатації, ККД пристрою, що залежить від температури (при її підвищенні, провідність фотоелемента значно падає).

Ось чому потрібно пам’ятати про наступне: сонячні елементи (фотоелементи, батареї) не здатні бути дуже потужними, вони не можуть працювати в безперервному режимі (через природну зміну дня і ночі), для стабілізації основних параметрів - сили струму і напруги - з'являється необхідність у використанні додаткових пристроїв (стабілізатори, акумулятори тощо).

На зображенні, показаному вище, можна бачити, що верхній шар p-n переходу, який має надлишок електронів, з'єднаний з металевими пластинами, які виконують роль позитивного електрода, пропускаючи світло і додаючи елементу додаткову жорсткість. Нижній шар в конструкції сонячної батареї має нестачу електронів, до нього приклеєна суцільна металева пластина, що виконує функцію негативного електрода.

Вважається, що в ідеалі сонячна батарея має близький до 20% ККД. Однак на практиці і за даними фахівців сайту він приблизно дорівнює всього 10%, при тому, що для деяких сонячних батарей він більший, для деяких менший. В основному це залежить від технології, за якою виконаний p-n перехід. Найбільш вживаними та такими, що мають найбільший відсоток ККД, продовжують бути сонячні батареї, виготовлені на основі монокристалу або полікристалу кремнію. Причому другі через відносну дешевизну стають дедалі поширенішими.

До якого типу конструкції сонячна батарея відноситься можна визначити неозброєним оком. Монокристалічні мають виключно чорно-сірий колір, а моделі на основі полікристалу кремнію виділяє синя поверхню. Полікристалічні сонячні батареї, що виготовляються методом лиття, виявилися дешевшими у виробництві. Проте і в полі, і в монокристалічних пластин є один недолік - конструкції сонячних батарей на їх основі не мають гнучкості, яка в деяких випадках не завадить.

Ситуація змінилась з появою в 1975 році сонячної батареї на основі аморфного кремнію, активний елемент якої має товщину від 0,5 до 1 мкм, забезпечуючи їй гнучкість. Товщина звичайних кремнієвих елементів досягає 300 мкм. Однак, незважаючи на властивість аморфного кремнію поглинати світло, яка приблизно в 20 разів вище, ніж у звичайного, ефективність сонячних батарей такого типу не перевищує 12%. Для моно- і полікристалічних варіантів він може досягати 17% і 15% відповідно.

Матеріал, з якого виготовлені пластини, впливає на характеристики сонячних батарей.

Чистий кремній у виробництві пластин для сонячних елементів практично не використовується. Найчастіше в якості домішок для виготовлення пластини, що виробляє позитивний заряд, використовується бор, а для негативно заряджених пластин миш'як. Крім них при виробництві сонячних елементів все частіше використовуються такі компоненти, як арсенід, галій, мідь, кадмій, телурид, селен та інші. Завдяки ним сонячні елементи стають менш чутливими до перепадів оточуючих температур.

Більшість сонячних батарей можуть накопичувати енергію, представляючи собою так звані системи. Враховуючи, що фотоелектричні елементи виробляють електричний струм тільки при прямому впливі сонячних променів або світла, вночі або в похмурий день вони стають практично непотрібними. З системами на сонячних батареях все по-іншому. Вони обладнані акумулятором, здатним накопичувати електричний струм вдень, коли сонячна батарея його виробляє, а вночі накопичений заряд може віддаватись споживачам.

2. Вирощування кристалів кремнію

Існує безліч способів вирощування монокристалів Si з газової і рідкої фаз і розплаву. Коротко розглянемо один з найбільш поширених методів вирощування кремнію методом Чохральского.

Процес вирощування кристалів цим методом можна простежити, звернувшись до схеми, установки, показаної на рис. 2.

Рис. 2. Схема установки для вирощування кристалів за методом Чохральського: 1 - вакуум або інертна атмосфера; 2 - стрижень для витягування кристала; 3 - кристалічна запал; 4 - зростаючий кристал; 5 - кварцовий тигель; 6 - високочастотний індуктор; 7 - графіт, що нагрівається індукційними струмами ; 8 - кристал і; 9 - фронт кристалізації; 10 - рідкий кремній

У процесі вирощування контролюють температуру тигля , швидкість витягування кристала з розплаву і перемішування розплаву при обертанні витягається кристала або тигля. Конструктивні особливості установки покликані забезпечити необхідну форму теплових полів поблизу кордону зростання , регулювати теплові втрати в області виходу кристала з розплаву і через затискний патрон , що тримає початковий кристал.

Для ініціювання росту кристалу початковий кристал опускають в розплав,

плавно зменшують його температуру і починають витягати кристал з розплаву. Оскільки в більшості модифікацій методу Чохральського прихована теплота кристалізації виділяється головним чином за рахунок теплового випромінювання, інтенсивність якого визначається випромінюючої площею і температурою навколишнього середовища, діаметр кристала залежить від співвідношення між швидкістю витягування і характер температурних полів. Вплив поверхневого натягу відносно мало при знаходженні межі росту значно вище або нижче рівня розплаву (рис. 2.).

Звичайно як матеріалу тигля, в якому розплавляють кремній, використовують SiO₂ (температура розм'якшення близько 1600 ° С). Легуючі домішки розчиняють у розплаві , і до початку кристалізації розплав гомогенізують. Кристалізацію проводять у вакуумі в середовищі інертного газу. Кристали витягають зі швидкістю 10^-4 -10^-2 см / с і обертають з частотою 10-40 об/хв. Часто одночасно здійснюють обертання тигля в протилежному напрямку.

В даний час найкращим матеріалом для виготовлення тигля є кварц . Він повільно розчиняється в рідкому кремнії згідно реакції:

до насичення розплаву киснем, відповідної концентрації ( 2-4 ) 10¹⁸ см^-3 [ Runyan , 1965] , і тільки після цього утворюється монооксид SiO.

Монооксид кремнію випаровується, однак домішки, які у кварці, залиша-ються в розплаві. У цьому зв’язку слід мінімізувати відношення поверхні до об’єму тигля і застосувати особливо чистий кварц. Як матеріал тигля викори-стовують також графіт, однак вуглець частково розчиняється в кремнії, утворюючи включення SiC крім того, можливе забруднення розплаву домішками, оскільки графіт насилу піддається очищенню.

Методом Чохральського вирощують злитки діаметром до 30 см і довжиною до декількох метрів.

2. Основні принципи роботи сонячних елементів

Найпростіша конструкція сонячного елементу (СЕ) - приладу для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну - показана на рис. 3.

Рис.3. Конструкція сонячного елемента

На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р-типу сформований р-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли сонячний елемент освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до р- n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область. Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар (рис. 4а).

Рис. 4. Зонна модель розімкнутого p-n-переходу: в початковий момент освітлення

У результаті n-шар набуває додаткового негативного. На малій глибині від поверхні кремнієвої пластини р-типу сформований р-n-перехід з тонким металевим контактом. На тильну сторону пластини нанесено суцільний металевий контакт. Коли сонячний елемент освітлюється, поглинені фотони генерують нерівноважні електрон-діркові пари. Електрони, що генеруються в р-шарі поблизу р-n-переходу, підходять до р- n-переходу і існуючим в ньому електричним полем виносяться в n-область.

Аналогічно і надлишкові дірки, створені в n-шарі, частково переносяться в р-шар (рис. 4). У результаті n-шар набуває додаткового негативного заряду, а р-шар - позитивний. Знижується первісна контактна різниця потенціалів між р-і n-шарами напівпровідника, і в зовнішньому ланцюзі з'являється напруга (рис. 5).

б.)

Рис. 5. Зонна модель розімкнутого p-n-переходу: - зміна зонної

моделі під дією постійного освітлення і виникнення фото ЕРС

Негативному полюсу джерела струму відповідає n-шар, а р-шару - позитивному. Величина встановленої фото - ЕРС при освітленні переходу випромінюванням постійної інтенсивності описується рівнянням вольт-амперної характеристики (ВАХ).

де I-загальний струм, I_s-струм насичення, а I_ph –фотострум, k-стала Больцмана, T-абсолютнатемпература, q-заряд електрона.

Для ефективної роботи сонячних елементів необхідне дотримання ряду умов:

• оптичний коефіцієнт поглинання активногошару напівпровідника повинен бути достатньо великим, щоб забезпечити поглинання значної частини енергії сонячного світла в межах товщини шару;

• генеруються при освітленні електрони і дірки мають ефективно збиратися на контактних електродах з обох сторін активного шару;

• сонячний елемент повинен володіти значною висотою бар'єру в напівпровідниковому переході;

• повний опір, включений послідовно з сонячним елементом (виключаючи опір навантаження), повинен бути малим для того, щоб

зменшити втрати потужності (тепло джоуля) в процесі роботи;

• структура тонкої плівки повинна бути однорідною по всій активній області сонячного елемента, щоб виключити закорочування і вплив шунтуючих опорів на характеристики елементу.

Виробництво структур на основі монокристалічного кремнію, що задовольняють даним вимогам, процес технологічно складний і дорогий. Тому увага була звернена на такі матеріали, як сплави на основі аморфного кремнію (a-Si: H), арсенід галію і полікристалічні напівпровідники.