Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Бортовые источники и накопители энергии автотранспортных средств с тяговыми электроприводами

Взаимосвязи и процессы в солнечном элементе

Типичная конструкция солнечного элемента (СЭ) показана на рис. 3.1. На полупроводниковую пластину с проводимостью п-типа нанесен тонкий слой полупроводника р-типа. На границе двух полупроводников образуется р-п-переход. Свет падает со стороны р-слоя. Для включения СЭ в цепь имеются металлические контакты: сплошной со стороны п-слоя и по периферии — с освещаемой стороны.

Напомним, что происходит в р-п-переходе в отсутствие света и внешнего источника напряжения. В области р-п-перехода образуется двойной электрический слой из положительных и отрицательных ионов примесных атомов, в результате между р- и п-областями возникает контактная разность потенциалов и, близкая к 1 В в переходе из

Типовая конструкция солнечного элемента

Рис. 3.1. Типовая конструкция солнечного элемента

кремния. При этом через переход протекают два небольших, равных по величине и противоположных по направлению тока: не основных носителей -18 и основных носителей +1$, в результате суммарный ток через переход равен нулю. Если к р-п-переходу подключить резистор, то ток в нем будет отсутствовать. Хотя в контуре имеется разность потенциалов ик между р- и п-областями, напряжение на резисторе все же равно нулю, так как его компенсируют контактные разности потенциалов между полупроводниками и металлическими контак-

тами. Таким образом, в отсутствие света и при одинаковой температуре всех участков замкнутой цепи электрический ток отсутствует в соответствии с законом сохранения энергии.

Внешние, валентные электроны атомов полупроводника принадлежат кристаллу в целом, при этом они имеют дискретные значения энергии, объединенные в энергетические зоны. Поглощая квант света, электрон занимает более высокий энергетический уровень в кристалле, например, переходит из валентной зоны в зону проводимости, создавая в валентной зоне вакансию (дырку). В результате появляются дополнительные носители тока — электроны проводимости и дырки. Это явление называется внутренним фотоэффектом.

Внутренний фотоэффект имеет «красную границу»: энергия кванта света (фотона) должна превышать ширину запрещенной зоны Eg, разделяющей валентную зону и зону проводимости, т. е. йу > Eg, где й — постоянная Планка, V — частота света. В кремнии внутренний фотоэффект имеет место для волн с длиной А < 1,1 мкм, т. е. для видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучений.

Рассмотрим, что происходит в СЭ при освещении. Излучение поглощается в р-области и генерирует в ней электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи р-п-перехода. Электроны (не основные носители в р-области) перебрасываются контактным полем в п-об-ласть, заряжая ее отрицательно. Подавляющая часть дырок не способна преодолеть потенциальный барьер и остается в р-области, заряжая ее положительно. Электрическое поле контакта пространственно разделяет отрицательные электроны и положительные дырки, образующиеся под действием света. Вследствие этого на переходе формируется прямое смещение и, понижающее потенциальный барьер на величину цЕ1, где ц — заряд электрона по модулю. Перемещение электронов через р-п-переход создает ток — 1ф, называемый первичным фототоком, которому, как и току неосновных носителей, приписывают отрицательный знак. Понижение барьера ведет к возрастанию

ои

тока основных носителей, который становится равным 15кТ . Таким

образом, через переход протекают следующие токи: неосновных ночи

сителей — 1$, ОСНОВНЫХ носителей +1ве кТ И первичный фототок -1ф.

Полный ток через р-п-переход равен:

чи

Эта формула описывает вольт-амперную характеристику идеального СЭ. Из нее легко определить прямое смешение

1п

кТ

Я

(

!ф +1

+ 1 .

/

(3.2)

Таким образом, при освещении р-п-перехода контактная разность потенциалов в нем уменьшилась на величину и, а другие контактные разности потенциалов не изменились. В результате на клеммах СЭ появилось напряжение и, называемое фотоЭДС, в сопротивлении — ток I. Следовательно, р-п-переход стал источником тока, в котором энергия света преобразуется непосредственно в электрическую энергию. Так как фотоЭДС равна понижению контактного напряжения, она не может превысить само контактное напряжение ик (для кремния примерно 1 В).

Как во всяком другом источнике тока, в СЭ должны быть сторонние силы, природа которых отличается от сил электростатического поля. Под действием электростатических сил заряды перемещаются в направлении уменьшения потенциальной энергии. Для непрерывного протекания тока по замкнутой цепи необходимо, чтобы хотя бы на одном участке цепи заряды перемещались в направлении от меньшей к большей потенциальной энергии, т. е. поднимались на потенциальный барьер. Это участок действия сторонних сил. Их физическая природа может быть различной. В гальванических элементах сторонние силы возникают в результате химических реакций на электродах, а энергия, освобождаемая в реакциях, превращается в работу тока. В явлении электромагнитной индукции сторонние силы — это силы электрического поля, однако не электростатического, а вихревого. В СЭ потенциальная энергия электронов повышается за счет энергии фотонов, когда электроны переходят на более высокий энергетический уровень в кристалле — из валентной зоны в зону проводимости.

Первичный фототок пропорционален потоку излучения (мощности излучения) Ф, падающему на СЭ: 1ф = аФ, где а — коэффициент пропорциональности. Ток I в нагрузке зависит от 1ф и сопротивления нагрузки Я. При коротком замыкании СЭ, когда Я = 0, напряжение на сопротивлении и = Ж = 0, а ток, как следует из (3.1), равен 1ф. Это означает, что все генерированные светом носители поступают во внешнюю цепь, а высота барьера в р-п-переходе не изменяется. Если внешняя цепь разомкнута, то I = 0. При этом напряжение, называемое напряжением холостого хода ихх, как следует из (3.2), равно

(3.3)

Из (3.3) видно, что напряжение логарифмически (слабо) растет с ростом первичного фототока или потока излучения.

Часто солнечные элементы включают в батареи: последовательно — для увеличения напряжения, параллельно — для увеличения тока.

Зависимость тока от напряжения, т. е. вольт-амперная характеристика идеального СЭ, показана на рис. 3.2. Каждой точке кривой соответствует определенное сопротивление нагрузки: с увеличением R напряжение растет, а ток падает. В нагрузке выделяется электрическая мощность R = IU. Она зависит от R и при некотором его значении Rm достигает максимального значения Pm = ImUm , где 1т и Um — ток и напряжение при максимальной мощности (максимальная мощность равна площади заштрихованного прямоугольника на рис. 3.2). При изменении потока излучения ВАХ изменяются так, как показано на рис. 3.3. С ростом Ф увеличиваются напряжение, ток и мощность, а оптимальное сопротивление Rm уменьшается.

U

m

Вольт-амперная характеристика идеального СЭ

Рис. 3.2. Вольт-амперная характеристика идеального СЭ

ихх и

Коэффициентом полезного действия СЭ называют отношение максимальной электрической мощности к потоку падающего излучения

Изменение ВАХ при изменении потока излучения

Рис. 3.3. Изменение ВАХ при изменении потока излучения

Многие процессы уменьшают КПД, отметим некоторые из них. Частично свет отражается от поверхности полупроводника, поэтому для уменьшения отражения СЭ покрывают интерференционным просветляющим слоем. Фотоны, энергия которых недостаточна для внутреннего фотоэффекта, не дают вклада в электрическую энергию. Некоторые пары электрон — дырка рекомбинируют и не дают вклада в фототок. Мощность теряется при прохождении тока через объемное сопротивление полупроводника. Согласно теории солнечный элемент из кремния имеет КПД не более 20 %, а практически — меньше. Ведутся исследования с целью уменьшения стоимости и повышения коэффициента полезного действия СЭ.

На рис. 3.4 изображена эквивалентная схема замещения планарного СЭ с горизонтальным р-п-переходом.

Вольт-амперная характеристика такого СЭ имеет вид:

I

СЭ

е(ЦСэ +1сэКп)

AkT

+ IC3Rn

(3,5)

где А — поправочный коэффициент, принимает значения от 1 до 5; е — заряд электрона;

к — постоянная Больцмана, к/е = 8,62 • 105 еВ/К;

Т — абсолютная температура (К);

Rn — последовательное сопротивление СЭ (Ом);

Кш шунтовое сопротивление СЭ (Ом);

ид, 1д — напряжение (В) и ток (А), протекающий через диод VD, моделирующий р-n-переход;

  • 1ф — фототок, протекающий через р-п-переход (А);
  • 1 — обратный ток насыщения р-п-перехода (А);
  • 1СЭ — выходной ток СЭ (А).

Примем следующие обозначения параметров солнечного элемента: ток, напряжение, мощность — соответственно I, U, Р (без индекса СЭ), а параметры СБ — 1сб Uc6 Рсб (с индексом СБ).

Приняв к0 = е/(АкТ), можно записать (3.5) в сокращенном виде:

I = 1ф - 1он{explk0(U — IRп)] — 1} — (U — п)/Кш. (3.6)

Сумма U + IRn в уравнении (3.6) представляет собой диодное напряжение ид, падающее на самом СЭ. Величина этого напряжения больше выходного напряжения U, когда СЭ отдает энергию внешней нагрузке. Если направление тока в модели СЭ принять такое, как показано на рис. 3.4, то ид = U + IRn. При обратном направлении тока знак изменится на противоположный -11д = U - IRn.

ВАХ неосвещенного СЭ описывается уравнением:

I = I0H )exp[k„(U - IR „ )| -1} - (U - 1R„)/R ш, (3.7)

Схема идеального СЭ

Рис. 3.5. Схема идеального СЭ

которое, как правило, используется при измерениях сопротивлении Яп и Яш.

Для идеального СЭ (рис. 3.5) Яш велико, а Я,, мало, поэтому можно записать уравнение его ВАХ в виде:

1 = 1ф-1{ехр[еи/кТ)]-1}. (3.8)

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы