Навигация
2. Огляд лiтератури.
2.1. Параметри сонячних елементiв.
Для безпосереднього перетворення сонячного випромiнювання в електричну енергiю найчастiше використовується слiдуючi напiвпровiдниковi структури: р-n перехiд, гетероперехiд, МДН-структура та КМН. Енергетичнi дiаграми цих сполук зображенi на малюнку 1.
Мал. 1. Енергетичнi схеми напiвпровiдникових структур, що використовуються як СЕ: а - р-п-перехiд; б - гетероперехiд; в - МДН-структура; г - контакт метал-напiвпровiдник.
Принцип дiї сонячних елементiв на їх основї полягає в тому, що кванти сонячного свiтла з енергiєю, бiльшою нiж ширина забороненої зони напiвпровiдника, створюють пари носiїв струму: електрони в зонi провiдностi i дiрки у валентнiй зонi. Носiї, якi створенi в областi просторового заряду чи в о'бємi напiвпровiдника на вiдстанi, меньше чи рiвнiй дифузiйнiй довжинi, роздiляються внутрiшнiм полем. Це схематично зображено на малюнку 1.
Мал. 2. Вольт-амперна характеристика сонячного елементу i урахуванням послiдовного Rs та шунтуючого RSh опорiв: 1-RS(0, RSh((; 2-Rs(0, RSh((; 3-Rs=0, RSh((; 4 - RS=0, RSh=(.
На зовнiшних металевих електродах при цьому з'являється рiзниця потенцiалiв якщо ми маємо рiзноманiтне коло, або буде протiкати фотострум, якщо пiдключати якийсь певний опiр. ФотоЕРС зменьшує потенцiйний бар'єр в напiвпровiдниковiй структурi, що в свою чергу, приводить до виникнення встрiчннх потокiв електронiв та дiрок. Цi потоки еквiвалентнi потокам в структурах, змiщених в прямому напрямку зовнiшньою напругою. Коли потiк створених свiтлом надлишкових носiїв заряду зрiвняється з потоком носiїв заряду, обумовлених фотоЕРС. установиться стацiонарний стан. Це зображено пунктиром на малюнку 1.
Iдеалiзована еквiвалентна схема СЕ зображена на малюнку 3.
Мал. 3. Iдеалiзована та реальна еквiвалентнi схеми СЕ.
Паралельно потенцiйному бар'єру введено джерело постiйного струму IL, яке задає величину фотоструму. Струм I, який проходить по опору навантаження, як це бачимо з малюнку 3.. дорiвнює:
I=IK-IL (1.1)
де Iк - струм, який обумовлений змiною потенцiйного бар'єру в контактi при освiтленi. Звичайно цей струм дорiвнює темповому струму в напiвпровiдниковiй структурi при напрузi V.
В загальному випадку струм крiзь напiвпровiдникову структуру може бути записаний слiдуючим чином:
(1.2)
де е - заряд електрона, Т - температура, k, I, n - параметри вольтамперної характеристики р-n переходу, обумовленi механiзмами проходження струму та параметрами напiвпровiдникової структури. В загальному значення n i IS можуть залежити також вiд приложеної напруги, iнтенсивностi та спектрального складу випромiнювання.
Таким чином вольт-амперна характеристика (ВАХ) сонячного елемента при освiтленнi може бути записана у виглядi
(1.4)
Цей вираз обумовлює форму нагрузочної кривої при заданому значеннi IL. Загальний вигляд ВАХ СЕ для iдеального випадку вiдображен кривою 4 на мал.2. Значення струму короткого замикання легко отримати, якщо прийняти, що V=0. В результатi маємо IK =-IL. Знак мiнус означає, що струм в полi тече в ТОМУ же напрямку, що i при зовнiшнiй напрузi, яка вiдповiдає зворотньому змiщенню.
Значення V=Vхх можна отримати при I=0. В результатi маємо
(1.5)
З цих формул бачимо, що бiльшi Iкз вiдповiдають бiльшим значенням IL, а для отримання бiльших Vхх необхiднi бiльшi значення параметра n та вiдношення IL/IS , тобто бiльшi висоти потенцiйного бар'єру. Загальний вигляд ВАХ залежить також вiд величини n. Чим меньше n, тим в бiльшiй мiрi форма свiтової ВАХ наближається до прямокутної.
Для реального СЕ в еквiвалентнiй схемi слiдує також врахувати шунтуючий опiр RSh , влючений паралельно бар'єрному шару, та послiдовний опiр об'єму напiвпровiдника RS та контактiв (малюнок 3). В цьому випадку струм в опорi навантаження
I = IK - ISh - IL (1.6)
а вираз ВАХ приймає вигляд
(1.7)
Загальний вигляд ВАХ для рiзних значень RS, i RSh зображенi на мал.2. З малюнка бачимо, що шунтуючий i послiдовний опори погiршують ВАХ. При цьому шунтуючий опiр сприяє на форму ВАХ меньше, чим послiдовний опiр.
Запишемо вираз для Iкз
(1.8)
а значення Vхх вiдображається формулою
(1.9)
В цьому випадку як величина Vхх, так i величина Iкз обумовленi параметрами ВАХ : n, IS, а також величиною опорiв RS та RSh. Так, наприклад, струм Iкз зростає для менших значень RS та бiльших значень RSh. Величина Vхх зростає при зростаннi RSh.
(1.10)
де R(hv) - доля фотонiв, якi вiдбиваються вiд поверхнi, Nc(hv) - густина фотонiв в одиничному iнтервалi енергiї, якi падають на одиницю поверхнi СЕ в одиницю часу, Q(hv) спектральний вiдгук чи ефективнiсть збирання фотоносiїв заряду. Iдеальний СЕ характеризується Q =1 для hv(Еg та Q=0 для hv<Eg - це обговорення представлено в роботi [5].
Розглянемо причини, якi обумовлюють втрати перетворення сонячної енергiї в електричну :
1. Наскрiзне проходжеїиiя квантiв, якi мають енергiю меншу ширини забороненої зони, не створює вiльних носiїв заряду в напiвпровiднику.
2. Фотони з hv(Еg генерують одну електроно-дiркову пару з енргiєю, рiвною Еg , надлишкова енергiя фотона переходить в темпову.
3. Напруга холостого ходу завжди меньше Еg/е, а надлишкова напруга, обумовлена цiєю рiзницею , також йде на нагрiв.
4. Частина свiтової енергiї вiдбивається вiд поверхнi СЕ. Так для кремнiєвого СЕ доля цiсї енергiї складає третину падаючої.
5. Частина свiтової енергiї поглинається в поверхневому шарi структури (плiвка бар'єрного металу в СЕ на КМН, шар напiвпровiдника на гомо- та гетеро - переходi).
6. Рекомбiнацiя носiїв заряду в об'ємi напiвпровiдника, в ОПЗ та на границях роздiлу зменшує кiлькiсть носiїв заряду, обумовлених фотострум (Q(hv)<1).
7. Втрати потужностi, обумовленi наявнiстю послiдовного та шунтуючого опорiв самого СЕ.
Потужнiсть Р, яка видiляється на опорi, дорiвнює IV. Коефiцiєнт корисної дiї сонячного елемента вiдповiдно дорiвнює
( = IV/Рс (1.11)
де Рс - потужнiсть сонячного випромiнювання. Аналiз ( при заданому Рс зводиться до аналiзу Р=IV. Як бачимо з малюнка 2, для заданих вимог вiд одного того ж елемента можна отримати рiзну потужнiсть. Iснує оптимальне навантаження. при якому вiд сонячного елемента можна отримати максимальну потужнiсть. Дiйсно, у режимi короткого замикання V=0, а у режимi холостого ходу I=0 i вiдповiдно в обох випадках Р=0. З малюнка також бачимо, що максимальна потужнiсть зростає з ростом Iкз та Vxx , i тим бiльше, чим ближе форма кривої навантаження до прямокутної. Використавши рiвняння (1.4), можна знайти потужнiсть Р, видiляєму на нагрузцi, без врахування К^ та Кчi у виглядi
(1.12)
Так як I має вiд'ємний знак, то при зростаннi I перший член формули (1.12) зростає, а другий - зменшується. Значення Р досягає максимального значення при деякому I=Iопт.
Перепишемо вираз (1.12) у виглядi:
Р = IкзVххFF (1.13)
де FF - фактор заповнення, який дорiвнює:
(1.14)
Приймемо за а = IL/IS та за b = I/IS,. Тодi при припущеннi, то n(V)=n(Vхх), IS(V)=IS(Vхх), з виразу (1.14) легко знайдемо оптимальне b з виразу:
Ln[ Ьопт + а + 1 ] = - Ьопт - ( Ьопт + а + 1 ).
При достатьньо великих а на опорi навантаження видiляється потужнiсть, яка буде перевищувати 80% добутку IкзVхх.
Похожие работы
... 4. Як графічно позначаються польові транзистори? Інструкційна картка №9 для самостійного опрацювання навчального матеріалу з дисципліни «Основи електроніки та мікропроцесорної техніки» І. Тема: 2 Електронні прилади 2.4 Електровакуумні та іонні прилади Мета: Формування потреби безперервного, самостійного поповнення знань; розвиток творчих здібностей та активізації розумово ...
0 комментариев