Таким образом, во время освещения ФЭП происходит преобразование энергии квантов света (фотонов) в энергию движущих во внешней цепи электрических зарядов.
Лабораторная работа № 17
Измерение нагрузочной вольт-амперной характеристики
Солнечной батареи
Цель: Изучение устройства и работы солнечной батареи
Приборы и принадлежности: кремниевая солнечная батарея, осветитель, цифровые мультиметры, магазин сопротивлений, соединительные провода.
Теоретическое введение
I. Солнечные фотопреобразователи (ФЭП)представляют собой полупроводниковые фотоэлектрические устройства, предназначенные для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.
Другие, часто применяемые названия этих устройств: фотоэлемент, солнечный фотоэлемент, солнечный элемент (от solar cell).
Работа солнечного фотопреобразователя основана на внутреннем фотоэффекте в полупроводниковой структуре, содержащей внутреннее электрическое поле (например, за счёт создания электронно-дырочного перехода). Другое название - вентильный фотоэффект или фотовольтаический эффект.
II. Конструкция. Солнечный фотопреобразователь типичной, классической конструкции содержит p-n переход и представляет собой тонкую полупроводниковую пластину, состоящую из двух слоев (областей) с различным типом проводимости (электронный – n, дырочный – p). Структура солнечного кремниевого ФЭП с p-n –переходом показана на рис. 1, а условное обозначение - на рис.2
Рис.- 2
Рис. 1 – Структура кремниевого солнечного элемента (ФЭП).
Базовый слой p-типа имеет толщину 0,35 мм, p-n-переход залегает на глубине 0,5 мкм от верхней освещаемой поверхности, лицевой и тыльный контакты - металлические токоотводы, пунктиром обозначена область обеднения, то есть запирающий слой. Покрытие – антиотражающее покрытие из оксида кремния SiOx , TiO2 или Ta2O5, которое уменьшает потери, вызванные отражением света от фронтальной поверхности.
Рис.2 – Условное обозначение солнечного фотопреобразователя и солнечной батареи.
Конструктивные особенности таких фотопреобразователей:
- максимально возможная площадь фоточувствительной поверхности;
- оптимальные значения толщины и удельного сопротивления базовой области, обеспечивающие наилучшие условия для поглощения падающего света и собирания во внешней цепи генерируемых носителей p-n переходом;
- высокое время жизни электронов в базовой области;
- малая толщина контактных слоёв для уменьшения паразитного поглощения света в коротковолновой части спектра;
- использование гребенчатой или сетчатой конфигурации токосъёмных электродов, обеспечивающих минимальное последовательное сопротивление.
III. Принцип действия ФЭП. Солнечное излучение, поглощаемое в полупроводниковой структуре с p-n-переходом, создает свободные пары “электрон-дырка” при условии, что энергия фотона hν превышает ширину запрещенной зоны полупроводника Eg.
Свободные электроны и дырки возникают как в p- и n- областях перехода, так и в непосредственной близости к запирающему слою. Существующее в запирающем слое сильное электрическое поле разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака: свободные электроны перемещаются в n-область, а дырки перемещаются в p- область, что приводит к заряжению этих областей.
При разомкнутой внешней цепи (ФЭП не подключен к нагрузке) электроны и дырки, концентрирующиеся соответственно в n- и p- областях, приводят к разности потенциалов, смещающей p-n переход в прямом направлении. Если же ФЭП подключен к внешней электрической цепи, то создаваемые при освещении избыточные электроны и дырки приведут к возникновению во внешней цепи электрического тока.
Разделение зарядов встроенным электрическим полем характеризуют электродвижущей силой, называемой фотоэдс, а ток во внешней цепи называют фототоком.
Таким образом, во время освещения ФЭП происходит преобразование энергии квантов света (фотонов) в энергию движущих во внешней цепи электрических зарядов.
Схема освещённого ФЭП, соединённого с внешней цепью (нагрузкой R) показана на рис.3. Показаны полярность напряжения и направление тока, текущего при освещении во внешней цепи от p-области к n-области. Направление фототока совпадает с направлением слабого обратного тока, текущего при подаче обратного напряжения.
Рис. 3 - Схема ФЭП, соединённого с Рис. 4 - Нагрузочная вольт-амперная
нагрузкой R. Показаны полярность характеристика солнечного фотопрео-
и направление тока. бразователя при освещении.
I V. Основные параметры.Солнечные фотопреобразователи работают только в фотовентильном режиме, то есть в качестве генераторов тока, электрических батарей или других подобных источников питания. Основными параметрами ФЭП являются:
1. Pмакс - максимальная электрическая мощность, отдаваемая в нагрузку при освещении;
2. η (к.п.д.)- отношение максимальной электрической мощности Pмакс , выделяемой при освещении в нагрузке, к потоку Ф падающего солнечного излучения, то есть к мощности солнечного излучения, падающего на поверхность ФЭПа.
η = Pмакс / Ф = Iмакс·Uмакс / Ф (1)
3. Uхх - напряжение холостого хода (фотоэдс или э.д.с. разомкнутой цепи);
4. I кз - ток короткого замыкания (максимальный фототок);
5. f- коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики, который определяется выражением
f = Pмакс / Iкз·Uхх (2)
6. Rпосл- последовательное сопротивление.
Вольт-амперная характеристика.Важным показателем качества фотопреобразователя является нагрузочная вольт-амперная характеристика, приведенная на рис.4. Обычно её получают путём изменения величины сопротивления нагрузки, включенной последовательно с освещённым фотопреобразователем или солнечной батареей по схеме, показанной на рис. 5. По оси ординат откладывается либо сила тока I , либо плотность тока J. По горизонтальной оси откладываются значения выходного напряжения ФЭП, то есть напряжение на нагрузке U. Указывается уровень освещенности.
Как видно, зависимость силы тока от напряжения является нелинейной. При большом сопротивлении нагрузки R тока в цепи практически нет и выходное напряжение равно напряжению холостого хода Uхх. При уменьшении сопротивления нагрузки напряжение немного падает, а сила тока растёт. Затем достигается такое положение, когда с уменьшением сопротивления R выходной ток освещённого ФЭПа практически более не увеличивается. А напряжение будет постоянно уменьшаться. Как только сопротивление нагрузки R станет равным нулю, выходное напряжение упадёт до нуля. Наступит состояние короткого замыкания фотопреобразователя, которое, однако, не приводит к его выходу из строя.
Характер вольт-амперной зависимости не зависит от уровня освещённости. На рис.6 показано семейство нагрузочных характеристик кремниевого фотопреобразователя при различной энергетической освещённости. Все графики имеют одинаковую форму.
Как видно из рис.4, электрическая мощность, выделяющаяся в нагрузке и определяемая произведением P = I·U, на рисунке представляется площадью прямоугольника. Для одного и того же фотоэлемента и освещённости в зависимости от величины сопротивления R в нагрузке каждую секунду выделяется разное количество энергии.
При некотором значении R в нём выделяется наибольшее количество энергии. Эта нагрузка является оптимальной и отвечает наибольшему к.п.д. преобразования световой энергии в электрическую. На рис. 4 этот режим отмечен точкой на графике, которой соответствуют определённые значения тока и напряжения. Мощность, выделяемая в этом режиме является максимальной (пиковой). Численно она равна площади максимального прямоугольника, ограниченного вольт-амперной характеристикой.
Из рисунка также видно, что максимальная возможная мощность будет тем больше, чем больше Iкз и Uхх , а также чем ближе форма нагрузочной кривой к прямоугольнику.
Максимальную (пиковую) мощность можно представить в виде выражения (см. формулу 2):
Pмакс = f · Iкз·Uхх (3)
Величина f называется коэффициентом заполнения.Она показывает , какую часть площади от максимальной возможной при данных Iкз и Uхх (то есть при данном ФЭП и световом потоке) составляет площадь (прямоугольника), характеризующая мощность, снимаемую с фотопреобразователя. Величина f зависит от тока насыщения, фототока и сопротивления нагрузки R.
Используя коэффициент заполнения fк.п.д. преобразования можно выразить в виде:
η = Iмакс·Uмакс / Ф = f · Iкз·Uхх / Ф (4)
Рис. 5 - Схема измерения нагрузочной вольт-амперной характеристики солнечного
фотопреобразователя (при освещении)
Рис.6 - Семейство нагрузочных характеристики кремниевого
фотопреобразователя при различной освещённости.
Рис.7 – График зависимости выходной мощности от напряжения для фотопреобразователя из кристаллического кремния.
Кривая мощности.Зависимость выходной мощности, выделяемой в нагрузке, от выходного напряжения на нагрузке показана рис.7. На кривой имеется лишь одна точка, которая соответствует максимальной или пиковой мощности, снимаемой с фотоэлемента.
У кремниевых фотопреобразователей выходное напряжение, которое соответствует пиковой мощности, равно 0,45 – 0,47 В. Фактическая получаемая мощность зависит от интенсивности падающего солнечного излучения и размеров фотопреобразователя.