ГЛАВА 3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ СОЛНЦА

3.1. Физические процессы преобразования солнечной энергии

Фотоэлектрическая генерация энергии обусловлена пространственным распределением положительных и отрицательных носителей заряда при поглощении в полупроводнике электромагнитного излучения. При наличии электрического поля эти заряды могут создавать во внешней цепи электрический ток. Внутренние поля фотоэлементов на основе структур полупроводник – полупроводник или металл – полупроводник создают разность потенциалов около 0,5 В и плотность тока порядка 2000 А/м2 при плотности потока солнечного излучения около 1 кВт/м2 .

Эффект фотоэлектричества обнаружен в 1839 году французским физиком Беккерелем. Это открытие не покидало пределов лаборатории вплоть до 1954 года, пока в Bell Ladoratories не произвели первую кремниевую фотогальваническую ячейку. С тех пор это один из основных источников энергии для спутников. Промышленные фотоэлементы имеют КПД от 10 до 20 % при средней суточной облученности [7].

Преобразование энергии в фотоэлектрических преобразователях основано на фотовольтаическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения (рис. 3.1).

Зона проводимости

Электрон

Запретная

зона

Фотон

Валентная зона

Рис. 3.1. Преобразование энергии фотонов в носители зарядов, циркулирующих под действием электрического поля

68

Остановимся подробнее на процессе образования электронов проводимости в полупроводниках, например в кремнии. В состав его атома входят 14 электронов. Однако из них только четыре являются слабосвязанными и участвуют в химических реакциях и обусловливают четыре валентности кремния. Остальные десять электронов вместе с ядром составляют остов атома, окруженного четырьмя валентными электронами, которые движутся вокруг остова и образуют облако отрицательного заряда

(рис. 3.2).

валентный

электрон

дырка

Расположение атомов в решетке кремния таково, что каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь двух соседних атомов обусловлена парой электронов, образующих, так называемую парноэлектронную или валентную связь. Это соответствует чистому кремнию и очень низкой температуре. Все валентные электроны в этом случае участвуют в образовании связей между атомами и не участвуют в электропроводности.

При повышении температуры кристалла (например, за счет нагревания солнечной энергией) тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток [2,3] .

Однако, кроме процесса переноса заряда с помощью электронов проводимости, возможен еще и другой механизм электропроводности. Он обусловлен тем, что всякий разрыв валентной связи приводит к появле-

69

нию вакантного места с отсутствующей связью. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырки» (рис. 3.3).

Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, при наличии дырки какой-либо из электронов связи может перейти на место дырки. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато появится дырка в другом месте. Такой процесс будет происходить многократно, в результате чего в образовании тока будут принимать участие не только электроны проводимости, но и электроны связи, которые будут также постепенно перемещаться против электрического поля. Сами же дырки будут двигаться противоположно, в направлении электрического поля, т. е. так, как двигались бы положительно заряженные частицы. Этот процесс получил название дырочной проводимости. Следовательно, в полупроводниках возможны два различных процесса электропроводимости: электронный, осуществляемый движением электронов проводимости, и дырочный, обусловленный движением дырок.

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электроны проводимости улавливаются на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в совершенно чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других дефектов решетки, получил название собственной проводимости.

При наличии примесей электропроводность полупроводников сильно изменяется. Так кремний с добавкой фосфора в количестве всего около 0,001 атомного процента имеет удельное сопротивление при комнатной температуре около 0,6 Ом∙см, т. е., почти в 100 000 раз меньше, чем сопротивление совершенно чистого кремния [2].

Предположим, что в кремнии имеются атомы химической примеси, замещающие некоторые атомы кремния. В качестве примести рассмотрим сначала какой-либо элемент пятой группы, например фосфор. Атом фосфора имеет пять валентных электронов. Но для осуществления парноэлектронных связей в решетке кремния, как мы видели, необходимы всего четыре электрона. Поэтому пятый электрон атома фосфора оказывается связанным особенно слабо и может быть легко отщеплен при тепловых колебаниях решетки. При этом возникает один электрон проводимости, а атом фосфора превращается в положительно заряженный ион. Образование же дырки не происходит. Подобный процесс схематически изображен на рис.3.4, а.

70

Посмотрим теперь, как будет вести себя атом примеси какого-либо элемента, стоящего левее в периодической системе, нежели кремний; пусть это будет бор, стоящий в третьей группе. Атом бора имеет всего три валентных электрона, в то время как для нормальной валентной связи в решетке кремния необходимы четыре электрона. Недостающий четвертый электрон будет захвачен из соседних мест кристалла, в соответствующем месте образуется дырка, а атом бора превратится в отрицательный ион (рис. 3.4, б). Таким образом, и при наличии бора в кристалле кремния окажется возможным возникновение тока, но, в отличие от случая фосфора, электрический ток здесь будет обусловлен движением дырок, а не электронов.

дырка

электрон

Рис. 3.4. Атомы фосфора (а) и бора (б) в решетке кремния

Резюмируя сказанное, мы видим, что полупроводники обладают той особенностью, что электропроводность в них может быть обусловлена как подвижными электронами, так и дырками. Если концентрация электронов

вполупроводнике значительно больше концентрации дырок, то мы говорим, что полупроводник имеет электронную проводимость, или проводимость n- типа. Если же значительно преобладают положительные дырки, то электропроводимость называется дырочной, или p-типа.

Вполупроводниках n- типа основными подвижными носителями заряда являются отрицательные электроны, а в полупроводниках p-типа - положительные дырки. В случае контакта двух полупроводников электроны и дырки получают возможность переходить из одного полупроводника

вдругой, и поэтому между полупроводниками, так же как и между металлами, возникает контактная разность потенциалов, а в тонком погранич-

71

ном слое (p-n переходе) появляется контактное электрическое поле (рис. 3.5).

Устройства, преобразующие солнечную радиацию в электрический ток, называют фотоэлементами или солнечными элементами. Они сами являются источниками ЭДС. Солнечные элементы генерируют электрический ток в прямой зависимости от суточных, сезонных и случайных изменений облученности. Эффективность преобразования солнечной энергии зависит не только от КПД фотоэлемента, но и от согласованности динамической нагрузки во внешней цепи [7].

распределение зарядов

Рис. 3.5. Структура p-n перехода фотоэлектрической ячейки

Физические основы работы фотоэлектрической ячейки могут быть представлены эквивалентной электрической схемой, показанной на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Эквивалентная схема замещения фотоэлектрического модуля

72

Конечный выходной ток I складывается из тока, сгенерированного световым потоком IPh, за минусом небольшого диодного тока Id и тока утечки IP. Сопротивление RS представляет собой внутреннее сопротивление ячейки текущему току и зависит от глубины p-n перехода, примесей и сопротивления контактов. Сопротивление шунта RP обратно пропорционально току утечки в землю. В идеальной фотоэлектрической ячейке RS =0 (нет потерь) и RP = ∞ (нет утечки в землю). Обычно для кремниевой ячейки высокого качества размером 1 дюйм2 RS = 0,5…1,0 Ом и RP =200…300 Ом. Эффективность фотоэлектрического преобразователя чувствительна к небольшим изменениям сопротивления RS , но не чувствительна к изменениям сопротивления RP . Незначительное увеличение RS может существенно уменьшить выдаваемую мощность и напряжение.

В эквивалентной схеме ток нагрузки равен сумме тока, сгенерированного световым потоком IPh, за минусом небольшого диодного тока Id и тока утечки в землю IP.. Напряжение холостого хода

Диодный ток определяется выражением [7]

постоянная сглаженного графика модуля; К = 1,38 ∙ 10-23 Дж/K – постоянная Больцмана; Т – температура.

Выражение для определения тока нагрузки имеет вид

Последний член в выражении (3.3), ток утечки в землю, в существующих ячейках имеет небольшое значение относительно значений первых двух членов, и им пренебрегают. Таким образом, ток насыщения диода может быть определен экспериментально, для этого измеряют напряжение холостого хода в темноте и определяют световой поток, входящий в ячейку. Этот ток частот называют темным током или обратным током насыщения диода.

Двумя самыми важными параметрами для описания электрической работы ячейки являются напряжение холостого хода UOC и ток короткого замыкания ISC . Ток короткого замыкания измеряется при замкнутых нако-

73

ротко выходных контактах и максимально возможном освещении, небольшим диодным током и током утечки на землю пренебрегают. Поэтому можно говорить о том, что ток короткого замыкания равен полному току, сгенерированному световым потоком IPh.

Максимальное напряжение, генерируемое ячейкой, – это напряжение холостого хода. Преобразуя уравнение (3.3) при I =0 и пренебрегая током утечки в землю, получим выражение для определения напряжения холостого хода:

Константа КT/Q представляет собой абсолютную температуру, выраженную через напряжение (300 К = 0,026 В). В существующих фотоэлементах ток, генерируемый световым потоком, на несколько порядков больше обратного тока насыщения диода, поэтому напряжение холостого хода в несколько раз больше значения КT/Q. При постоянном освещении отношение IPh / ID сильно влияет на температуру ячейки и обычно имеет отрицательный температурный коэффициент при напряжении холостого хода.

Вольт-амперная характеристика фотоэлектрической ячейки представляет собой кривую зависимости тока от напряжения. На рис.3.7 показаны i-u-характеристики фотоэлектрического модуля для двух интенсивностей солнечного излучения 1000 и 400 Вт/м2 . Точки пересечения кривых с осью ординат показывают значения токов короткого замыкания; эти значения мы измерили бы при замкнутых накоротко выводах (при нулевом напряжении). Точки пересечения с осью абцисс – есть значения напряжения холостого хода; эти напряжения мы измерили бы при разомкнутых выводах (ток равен нулю).

74

Ток, А

Напряжение, В

Рис. 3.7. Вольт-амперные характеристики солнечной панели при интенсивности солнечного излучения 1000 и 400 Вт/м2

С ростом температуры ток короткого замыкания увеличивается, а напряжение холостого хода уменьшается (см. рис. 3.7). Количественно влияние температуры на значение выдаваемой мощности можно оценить, исследуя по отдельности зависимости тока и напряжения от температуры.

Рабочей точкой любой энергетической системы является точка пересечения рабочей характеристики с характеристикой нагрузки. Если источник фотоэлектричества, имеющий вольт-амперную и энергетическую характеристики, показанные на рис. 3.8, а, выдает мощность для нагрузки с сопротивлением R1, то рабочей точкой будет точка a1. Если сопротивление нагрузки увеличится до значения R2 или R3 , то рабочая точка переместится в точку a2 или a3 соответственно. Максимальная мощность будет получена при сопротивлении нагрузки R2 (рис. 3.8, в). Операции с нагрузками постоянной мощности показаны на рис. 3.8, б и г. Линия нагрузки постоянной мощности имеет две точки пересечения с характеристикой источника – b1 и b2 . Но стабильная работа системы возможна только в точке b2 , так как колебания около этого положения вызывают генерацию мощности, которая возвращает систему в исходную точку.

75

Рис. 3.8. Энергетические характеристики солнечных элементов при подключении их на изменяющуюся активную нагрузку

Выдаваемая мощность панели представляет собой произведение напряжения на ток нагрузки. На рис. 3.9 показана зависимость выдаваемой мощности от напряжения. Из него видно, что ячейка не генерирует мощности при нулевом токе и нулевом напряжении и генерирует максимальную мощность при напряжении соответствующем точке перегиба вольтамперной характеристики (точка МРР).

Необходимым условием стабильной работы солнечной панели является условие

76