Теоретические сведения

Лабораторная работа «Измерение вольтамперной характеристики солнечного элемента»

 

Цель работы

1. Изучить устройство и принцип действия солнечных элементов.

2. Экспериментально построить вольтамперную и нагрузочную характеристики батареи солнечных элементов.

Теоретические сведения

Преобразование солнечной энергии в электрическую

Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полу­проводниковые фотодиоды (рис. 1). Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 г. Технология их изготовления быстро совершенствуется. В настоящее время с помощью солнечных полупроводниковых батарей обеспечиваются энергией искусственные спутники Земли.

Рис. 1. Типичная структура солнечного элемента с p-n-переходом (стек­лянная или пластиковая крышка элемента и фильтр между элементом и крышкой не показаны):

1 - контакт от лицевой поверхности предыдущего элемента;

2 - добавочный потенциальный барьер p+ 0,2 мкм;

3 - слой p 250-400 мкм;

4 - слой n 0,2-1,0 мкм;

5 - противоотражательное покрытие;

6 - лицевой контакт;

7 - к тыльному контакту следующего элемента;

8 - ме­таллический контакт с тыльной стороны.

Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов (СЭ) является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Он широко ис­пользуется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей (переносная аппаратура, маяки, автоматические метеостанции и т.п.).

Очевидным недостатком солнечного излучения как источника энергии является неравномерность его поступления на земную поверхность, определяемая суточной и сезонной цикличностью, а также погодными условиями. Другим, еще более существенным недостатком солнечного излучения как ис­точника энергии является его низкая плотность.

Один из путей решения данной проблемы - снижение стоимости полу­проводниковых материалов и СЭ. Благодаря разработке прогрессивных тех­нологий получения СЭ на основе монокристаллического кремния их стои­мость снижена до величины менее 10 долларов за 1 Вт установленной пико­вой мощности СФЭУ при коэффициенте полезного действия около 15%. На основе ленточного поликристаллического, а также тонкопленочного аморф­ного кремния, созданы СЭ с КПД до 13 %. Такие же значения КПД достигну­ты в тонкопленочных СЭ на основе гетеропереходов CuInSe₂-CdS.

Фотоэлектрические свойства p-n перехода

Пусть p-n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности по­лупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источни­ка электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки R_H. Рассмотрим вначале два крайних случая: R = 0 (режим корот­кого замыкания) и Rн =∞ (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 2. а, б.

В первом случае зонная диаграмма освещенного p-n-перехода не отли­чается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без осве­щения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между p- и n- областями. Однако через p-n-переход и внешний проводник течет ток, обуслов­ленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в р-области. Фотоэлек­троны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p-n-перехода и попадают в n-область. Остальные электроны диффундируют к p-n-переходу, стараясь вос­полнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область. В n-области возникает направленное движение электронов к тыльному металли­ческому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к р-области. На границе контакта к р-области происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.

Рис. 2. Зонные энергетические диаграммы p-n-перехода при освещении:

а - в режиме короткого замыкания;

б - холостого хода;

в - включения на со­противление нагрузки.

При разомкнутой внешней цепи p-n-перехода (рис. 2., б) фотоэлек­троны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область от­рицательно. Остающиеся в р-области избыточные дырки заряжают р-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода U_XX . Полярность U_XX соответствует прямому смещению р-n-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок I_ф. Величина I_ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через р-n-переход в единицу времени

(1)

где q - величина заряда электрона;

Р_U - мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фо­тон с энергией hν>Е_g создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 2., а) эквивалентен нулевому напряже­нию смещения р-n-перехода, поэтому ток короткого замыкания I_КЗ равен фототоку

(2)

В режиме холостого хода (рис. 2., б) фототок уравновешивается «темновым» током I_T - прямым током через р-n-переход, возникающим при напряжении смещения U_XX. Абсолютное значение «темнового» тока

(3)

откуда при I_ф >> I₀

(4)

где k – постоянная Больцмана, 1,38*10^-23 Дж/К = 0,86*10^-4 эВ/К;

Т - абсолютная температура, К;

I₀ - ток насыщения;

А - параметр вольтамперной характеристики р-n-перехода, меняющий­ся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему закону

где ΔU - приращение напряжения при приращении плотности тока (или аб­солютного значения тока) по касательной на один порядок.

 

Вольтамперная характеристика солнечного элемента

Найдем обобщенное выражение для вольтамперной характеристики освещенного р-n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При положительном напряжении смещения фототок I_ф вычитается из «темнового» тока р-n-перехода, а при отрицательном - суммируется с ним. Выражение для вольтамперной ха­рактеристики записывается в виде

(5)

Рассмотрим подключение к р-n-переходу варьируемого сопротивления нагрузки (рис. 2., в). Направление тока в нагрузке всегда совпадает с на­правлением I_ф, а сам ток нагрузки I_Н равен результирующему току через р-n-переход (см. (1)). Принимая направление тока I_ф за положительное, для I_Н можно записать

(6)

здесь U_H - напряжение на нагрузке, равное напряжению на р-п-переходе.

Выражение (6) описывает нагрузочную вольтамперную характери­стику освещенного р-n-перехода. Нагрузочная ВАХ арсенид-галлиевого р-n-перехода для значения фототока I_ф = 1 А изображена на рис. 3, а., на этом же рисунке изображены ВАХ омических сопротивлений нагрузки

(7)

для R_H1 = 0,1 Ом, R_H2 =1,026 Ом и R_H3 =10 Ом.

При известных параметрах нагрузочной ВАХ (2) и заданном значении R_H величины I_H и U_H находятся методом последовательных приближе­ний при совместном решении (6) и (7) либо графически, как это сде­лано на рис. 3, а. Если R_H мало, пересечение графиков происходит на го­ризонтальном участке нагрузочной ВАХ, т.е. на участке, где «темновым» то­ком через р-n-переход можно пренебречь по сравнению с фототоком. По ме­ре увеличения R_H ток через нагрузку уменьшается, т.к. с увеличением пря­мого смещения р-n-переход как бы шунтирует нагрузку.

Рис. 3. Нагрузочная ВАХ р-п-перехода в ОаАз и характеристики Кн при значениях 0,1 (1), 1,026 (2) и 10 Ом (3) (а) и эквивалентная схема освещенно­го р-п-перехода с сопротивлением нагрузки (б).

Таким образом, освещенный р-n-переход в соответствии с выражением (2) может быть представлен в виде эквивалентной схемы (рис. 3, б). Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения р-n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный р-n-переход. При варьировании R_H фототок перераспределяется между нагруз­кой и р-n-переходом.

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле (пренебрегаем единицей в формуле (2))

(8)

В режимах короткого замыкания и холостого хода Р = 0, поскольку либо I_H, либо U_H равны нулю.

 

Методика выполнения лабораторной работы

Работа выполняется в следующей последовательности.

1. Подать напряжение питания на люминесцентные лампы лабораторного стенда.

2. Установить сопротивление нагрузки R в положение, соответствующее минимальному сопротивлению.

3. Изменяя сопротивление нагрузки R от минимального до максимального значений заносить показания вольтметра (напряжение на нагрузке U) и амперметра (ток нагрузки I). Изменение сопротивления рекомендуется производить таким образом, чтобы изменение напряжения находилось в пределах 1±0,1 В.

4. Для всех снятых показаний по формуле 8. вычислить мощность Р, отдаваемую батареей солнечных элементов в нагрузку.

5. По полученным данным построить вольтамперную и нагрузочную характеристики батареи солнечных элементов.

6. По графику вольтамперной характеристики найти ток, соответствующий максимальной мощности, отдаваемой батареей солнечных элементов в нагрузку.

7. По графику нагрузочной характеристики определить напряжение, соответствующее максимальной мощности, отдаваемой батареей солнечных элементов в нагрузку.

 

Содержание отчета

Отчет должен содержать цель и программу работы, электрическую схему лабораторного стенда для снятия вольтамперной характеристики солнечного элемента, таблицу экспериментальных и расчетных данных, графики вольтамперной и нагрузочной характеристик, определенное значение оптимального напряжения.