Кафедра общей и технической физики

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

Цель работы - получить зависимость характеристик солнечных батарей от

освещенности, оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.

I. Общие сведения

Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой.

Рис. 1. Устройство кремниевой солнечной ячейки с P-N переходом.

Принцип действия солнечной ячейки.

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с P-N переходом. Структура ячейки представлена на рис. 1. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в P-N переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-N переходу, происходит поглощение квантов света и генерация электронно-дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р-N переходе, производит разделение зарядов: электроны уходят в N-область, а дырки – в р- область. В результате накопления электронов в N-области и дырок в P-области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

Основные физические процессы в солнечной ячейке.

Энергетическая диаграмма р-N перехода представлена на рис.2.

При попадании света на фотоэлемент возможны следующие виды фотоактивного поглощения:

1)Электрон переходит из валентной зоны на уровень ионизированного акцептора EА, при этом в валентной зоне появляется дырка. Она суть основной носитель в P-области и она не может преодолеть потенциальный барьер. Поэтому дырка останется в P-области и не

создает обратного тока. Электрон на акцепторном уровне не может перемещаться и также не дает вклада в фототок.

2)Электроны переходят из валентной зоны в зону проводимости, возникают два носителя – дырка в валентной зоне и электрон в зоне проводимости. Дырка в валентной зоне

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

P-области является основным носителем и не участвует в образовании обратного тока из-за потенциального барьера. Электрон в зоне проводимости P-области является неосновным носителем, для него не существует барьера, поэтому он двигается к P-N переходу и

скатывается с него, создавая обратный ток.

ħω

ED

EF

EA

Рис. 2. Энергетическая диаграмма p-N-перехода, EF - уровень Ферми, ED – энергетический уровень донора, EA – энергетический уровень акцептора.

3) Если электронно-дырочная пара возникла в P-N переходе, то поле объемного заряда растаскивает их в разные стороны – дырки в P-область, электроны в N-область.

Таким образом, второй и третий процессы приводят к накоплению дырок в P-области и, аналогично, электронов в N-области, что создает дополнительную разность потенциалов.

Накопление неравновесных носителей заряда в соответствующих областях не может продолжаться бесконечно, так как разделенные электроны и дырки продолжают притягиваться друг к другу (обратный ток). Они создают электрическое поле, которое понижает высоту потенциального барьера между N- и P-областями на величину возникающей фото-ЭДС. Это понижение барьера уменьшает величину разделяющего поля в P-N переходе и аналогично прямому включению P-N перехода.

Плотность тока через фотодиод.

Вдали от P-N перехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным

механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, дойдут до P-N перехода, так как на этом пути возможна рекомбинация носителей заряда. Дойдут лишь те носители заряда, у которых время пути до

перехода меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (или расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега).

Плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов в р-области, дырок в N-области и электронно-дырочных пар, появившихся в P-N переходе:

J JN J P EG

где G – количество электронно-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площади P-N перехода.

Основные характеристики фотоэлемента.

1. ВАХ.

Основной характеристикой фотоэлемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), при различных освещенностях или световых потоках (рис.3а). При отсутствии освещения (J=0) ВАХ имеет вид характерный для обычного р-N перехода. При увеличении

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

2. Световые характеристики фотоэлемента.

Световые характеристики фотоэлемента -это зависимости фото-ЭДС и тока короткого

замыкания фотоэлемента от освещенности фотоэлемента.

а) При малой освещенности зависимость Iкз ~J линейна, т.к. ток прямо пропорционален количеству родившихся электронно-дырочных пар:

I кз ~ G ,

а количество появившихся электронно-дырочных пар, в свою очередь, прямо

пропорционально количеству поглощенных квантов света:

G J ,

где α – показатель поглощения, J – интенсивность света, η – внутренний квантовый выход.

Для кремниевых фотодиодов η ~ 100%. Квантовый выход можно определить по экспериментальной зависимости Iкз(J).

Пропорциональность Iкз~G обусловлена тем, что р-область конструктивно изготовлена

так, чтобы ее толщина была значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда. Поэтому практически все неосновные носители, возникшие в р-области в результате световой генерации, доходят до р-N перехода и принимают участие в

образовании фототока. Во всяком случае потери неосновных носителей на рекомбинацию в р-области и на поверхности практически не зависят от освещенности, т.к. исходный

полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата. Отклонение световых характеристик от линейной зависимости связано с уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в N-области и дырок в р-области.

б) По мере увеличения освещенности возрастает накопление зарядов, и дополнительная разность потенциалов все сильнее понижает потенциальный барьер. За счет этого увеличивается вклад прямого тока, и зависимость становится сублинейной.

Рис. 5. Ток короткого замыкания IS и напряжение холостого хода Uо как функция

интенсивности света J.

В данной работе солнечная батарея состоит из четырех ячеек, соединенных последовательно, и имеет максимальное напряжение холостого хода не более 2 В. При слабых освещенностях зависимость напряжения холостого хода (Uхх) от освещенности J

такая же, как у тока короткого замыкания. При возрастании освещенности потенциальный

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

барьер понижается так сильно, что прямая составляющая тока уравновешивает обратный фототок вне зависимости от степени освещенности.

3. Эффективность преобразования

Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:

P / P

MAX

К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлемента, относят: отражение от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света (поглощение без образования пар носителей электрон-дырка), рекомбинацию неравновесных носителей ещё до их разделения электрическим полем P-N перехода, а также

потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате этих процессов КПД кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечного света в электрическую энергию не превышает 12%.

4. Спектральная характеристика фотоэлемента.

Спектральная характеристика фотоэлемента это зависимость тока короткого замыкания от длины волны падающего света. Для кремниевого фотоэлемента максимум спектральной характеристики почти соответствует максимуму спектрального распределения энергии солнечного света (рис. 6). Именно поэтому кремниевые фотоэлементы широко используются для создания солнечных батарей.

Рис. 6. Спектр Солнца (Т ≈ 5800 К), спектр света лампы (Т ≈ 2000 K) и спектральная чувствительность кремниевой солнечной ячейки.

Спектр лампы и Солнца отличаются тем, что у Солнца больше коротковолнового излучения (с большей энергией), а у лампы больше длинноволновая составляющая. Таким образом, лампа сильнее нагревает фотоэлемент, поэтому ее свет дает меньший ток короткого замыкания и, соответственно, меньший КПД.

Если энергия кванта света меньше ширины запрещенной зоны, то фотоэффекта не будет вовсе, поэтому существует минимальная энергия (или максимальная длина волны),

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

при которой эффект ещё наблюдается. Для кремния SI ширина запрещенной зоны EG=1,1 эВ, что соответствует длине волны λMAX=1,3 мкм и частоте ν=2,5·1014 Гц.

5. Зависимость Iк.з. и Uхх от температуры.

С повышением температуры фотоэлемента происходит: а) понижение потенциального барьера (уменьшатся ширина запрещенной зоны) и б) увеличивается количество основных носителей, имеющих бо́льшую энергию, т.е. происходит перераспределение носителей по уровням. Понижение барьера приводит к понижению напряжения холостого хода (а также тока короткого замыкания) – уменьшается площадь под ВАХ – уменьшается КПД фотоэлемента (рис. 7).

Рис. 7. Вольт-амперная характеристика солнечной батареи: a) с охлаждающим

вентилятором, b) без охлаждающего вентилятора, c) при экранировке стеклянным колпаком.

II. Порядок выполнения работы

1. Определение интенсивности света на разных расстояниях от лампы.

Установить датчик интенсивности (ДИ) в держатель. Поместить держатель на линейку на расстоянии 1 м от лампы. Снять с разъемов J V датчика заглушки. Подключить разъемы датчика к мультиметру - к разъемам «COM» и «VΩHz». Перевести мультиметр в режим

измерения напряжения – повернуть ручку предела шкалы на отметку «200 MV». Включить лампу и мультиметр. Для расстояние (R) от датчика до лампы от 1 м до 50 см с шагом 5 см, записать показания мультиметра в табл.1. Показания мультиметра записываются через 10 секунд после перемещения датчика. Выключить лампу.

РАССТОЯНИЕ НЕ ДОЛЖНО БЫТЬ МЕНЬШЕ 50 см! Табл. 1.

2. Измерение зависимости Uхх от освещенности.

Установить фотоэлемент в держатель. Поместить держатель на линейку на расстоянии 1 м от лампы. Подключить фотоэлемент к

Vмультиметру – к разъемам «COM» и «VΩHz». Перевести мультиметр в

режим измерения напряжения – повернуть ручку предела шкалы на отметку «20 V». Включить лампу и мультиметр. Изменяя расстояние от

фотоэлемента до лампы от 1 м до 50 см с шагом 5 см, измерить зависимость Uхх от расстояния до лампы, Данные занести в таблицу 1. Выключить лампу

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

3. Измерение зависимости Iкз от освещенности.

Не меняя схему, перевести мультиметр в режим измерения тока с пределом шкалы «200 MA». Включить лампу. Изменяя

Aрасстояние от фотоэлемента до лампы от 1 м до 50 см с шагом 5

см, измерить Iкз Данные занести в таблицу 1. Выключить лампу и

мультиметр.

4.Измерение ВАХ и получение ее зависимости от освещенности.

штекеров) второй мультиметр (М2) (разъемы «COM» и «VΩHz»). Перевести его в режим измерения напряжения с пределом шкалы «20 V».

а) Поставить фотоэлемент на расстоянии 50 см от лампы. Перевести бегунок сопротивления в положение максимального значения R (положение, наиболее удаленное от разъемов). Включить лампу. Плавно изменяя сопротивление R (двигая бегунок в сторону

разъемов) измерить зависимость тока от напряжения в пределах напряжения от 2,05 В до 1 В с шагом 0,01 В для U = 2,05 ÷ 2 В и с шагом 0,1 В для U = 2 ÷ 1 В. Данные занести в табл.2.

Табл. 2.

б) Повторить пункт а) для расстояний 70 и 90 см. Данные также занести в таблицу 2. Выключить лампу.

5. Влияние фильтра на ВАХ и Uхх солнечной батареи.

Одним из способов понижения температуры является помещение между лампой и фотоэлементом стеклянной пластины, которая отсекает инфракрасное излучение.

Выставить держатель с фотоэлементом на расстоянии 50 см от ламы. Собрать схему из пункта 4. Включить лампу. Поставить стеклянную пластинку на пути света, снять ВАХ со стеклянной пластинкой. Снять Uхх со стеклянной пластинкой.. Полученные данные записать

в таблицу 3. Выключить лампу

Табл. 3.

vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943

III.Обработка экспериментальных данных

1.Определить зависимость интенсивности света от расстояния: для этого показания вольтметра

J=UJ/(US)

где UJ – показания мультиметра, U=0,16 мВ/мВт - чувствительность фотодетектора и S -

площадь датчика интенсивности. Характеристики датчика интенсивности: апертура 20˚, диаметр=2,5 см, чувствительность - 0,16 мВ/мВт. Построить график J от R. Для расстояний меньше 50 см интенсивность находят экстраполяцией графика J от R.

2. Построить зависимости Iкз и Uхх от освещенности J. Значения J получить из построенного в пункте 1 графика J(R).

3. Построить ВАХ для трех положений фотоэлемента: 50, 70 и 90 см от лампы, определить по графику J(R) пункта 1 соответствующие этим положениям значения освещенности J и вписать их в табл.2.

4. Вычисление КПД фотоэлемента для трех интенсивностей. По ВАХ для каждого

расстояния из пункта 3 определить максимальную мощность, даваемую фотоэлементом. Для этого необходимо построить прямоугольник максимальной площади так, чтобы одна точка касалась вольт-амперной характеристики. Площадь этого прямоугольника и есть максимальная мощность, вырабатываемая солнечной батареей:

PMAX=U∙I.

Потребляемая мощность определяется из соотношения

P=J∙S,

где S=50 см2 – площадь солнечной батареи, J – интенсивность света.

Коэффициент полезного действия

η=PMAX/P 100%.

Результаты расчетов записать в табл.2.

5. Построить ВАХ фотоэлемента без стеклянной пластины и со стеклянной пластины.

Содержание отчета

1.Зависимость интенсивности света на разных расстояниях от лампы, J(R).

2.Зависимость напряжения холостого хода от освещенности, Uхх(J).

3.Зависимость тока короткого замыкания от освещенности, Iкз(J).

4.ВАХ для трех различных значений освещенности, I(U) для J1, J2, J3.

5.Значение КПД фотоэлемента для расстояния 50 см до лампы.

6.ВАХ для двух спектральных характеристик излучения - без фильтра и с фильтром, на

расстоянии 50 см от лампы.

Контрольные вопросы

1.Что такое солнечная батарея? Каков принцип ее действия?

2.Что такое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания?

3.Что такое КПД фотоэлемента и как его рассчитывать? Как выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента?

4.Какое воздействие оказывает температура на напряжение холостого хода фотоэлемента?

5.В чем различие между освещением солнечным светом и освещением лампой?