Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Вплив послідовного і шунтуючого опору на вольт-амперну характеристику сонячного елемента

Одною із причин зниження ефективності роботи фотоперетворювача являється наявність в ньому послідовно включених опорів (рис. 2.4), на яких розсіюється частина електричної потужності, що генерується приладом. Крім послідовно включених опорів в колі фотоперетворювача можуть проявляти себе і деякі шунтуючі його опори, які пов’язані з втратами струму по крайовим ділянкам його поверхні, по границям зерен, кристалічним дефектам і дислокаціям і ін.. При нанесенні металічних контактів на поверхню сонячного елемента в результаті проникнення металу в тріщини, які присутні на поверхні кристалу, можуть виникати мікроскопічні провідні області, які будуть закорочувати контакти фотоперетворювача. Тому використовують схему, яка зображена на рис. 2.4.

В даній схемі послідовно включений резистор R_s враховує наявність розподілених опорів бази, емітера і контактних переходів. Шунтуючий резистор R_sh враховує можливість замикання струму, який виробляється фотоелементом, через внутрішні ланцюги, які не входять у ланцюг навантаження R.

Процес збирання нерівноважних носіїв струму моделюється генератором, який виробляє струм І_ph, який одразу ж розділяється на струм І_d, що протікає через діод і струм І_s, що протікає по послідовно включеному резисторі:

. (2.25)

Струм І, який протікає по опору навантаження R, являє собою лише частину струму, що протікає через послідовно включений опір, так як

, (2.26)

де І_sh – струм, який протікає через шунтуючий опір. Таким чином,

. (2.27)

Струм І_d, що протікає через діод, залежить від напруги на діоді U_d по закону

. (2.28)

Напруга U_d дещо перевищує напругу U на опорі навантаження, так як

. (2.29)

Якщо врахувати, що

; (2.30)

то для напруги на діоді отримаємо

. (2.31)

Підставляючи в формулу 2.27 значення струмів І_d і І_sh, отримаємо вираз для вольт-амперної характеристики фотоперетворювача, до якого послідовно і паралельно включені опори:

. (2.32)

Проаналізуємо цю формулу для двох випадків. Якщо U=0 (режим короткого замикання фотоелемента), то І=І_sc. Таким чином, отримаємо

. (2.33)

Із цієї формули видно, що струм короткого замикання фотоелемента зменшується із зростанням величини послідовно включеного опору R_s, але не залежить від опору R_sh.

Якщо І=0 (режим холостого ходу), то U=U_oc. В цьому випадку

. (2.34)

Звідси знаходимо, що

. (2.35)

Із цієї формули видно, що із зростанням величини коефіцієнта неідеальності n ЕРС холостого ходу фотоперетворювача повинна лінійно зростати. Однак, враховуючи те, що темновий струм насичення І₀ також збільшується з ростом коефіцієнта n, відношення зменшується, слід визнати, що величина U_oc мало змінюється із зміною коефіцієнта n. Остання формула показує, що ЕРС холостого ходу не залежить від послідовно включеного опору елементу, так як зазвичай . ЕРС холостого ходу починає зменшуватись, якщо R_sh зменшується до величини, що рівна відношенню .

З ростом R_s ЕРС холостого ходу не змінюється, однак коефіцієнт заповнення ВАХ суттєво змінюється. Крім того спостерігається зменшення струму короткого замикання. Це пов’язано з тим, що через суттєве зменшення напруги на послідовно включеному опорі діод знаходиться під прямим зміщенням полярності навіть у випадку, коли вхідна напруга фотоелемента рівна нулю. Що приводить до суттєвого підвищення темнового струму, що протікає в напрямку, протилежному напрямку фотоструму. Такий ефект є помітним навіть при малих величинах послідовно включених опорів.

При під’єднанні шунтуючого опору до фотоперетворювача останній на вольт-амперну характеристику буде впливати наступним чином. Струм короткого замикання практично не змінюється, але ЕРС холостого ходу і коефіцієнт заповнення ВАХ зменшується із ростом величини R_sh.

У використаних на практиці перетворювачах енергії сонячного випромінювання в електричну шунтуючий опір великий і практично не впливає на роботу пристрою при високих інтенсивностях фото збудження. Однак при малій інтенсивності фото збудження величина шунтуючого опору має більш суттєве значення. Послідовно включений опір більш помітно впливає на роботу фотоперетворювача при високих інтенсивностях фото збудження.

Експериментально величини R_s і R_sh можна визначити. Продеференціюва-вши рівняння 2.32, отримаємо

, (2.36)

де

; (2.37)

якщо на вольт-амперній характеристиці вибрати точку , то , так як величину можна вважати малою. Тоді

; (2.38)

в зв’язку з тим, що на світловій вольт-амперній характеристиці нахил дотичної, проведеної до неї в точці , визначити важко, визначення зазвичай проводять по нахилу темнової ВАХ при невеликих зворотних зміщеннях
(рис. 2.5).

Перепишемо тепер рівняння 2.36 у вигляді

. (2.39)

Розглянемо випадок, коли розімкнуте коло, при цьому велике. Тоді весь фотострум проходить через діод, який знаходиться при напрузі прямої полярності . Отримаємо

. (2.40)

Враховуючи, що , маємо

. (2.41)

Таким чином, послідовно включений опір визначається по нахилу вольт-амперної характеристики фотоперетворювача в точці (рис. 2.5).

Рис. 2.5 Схематичне зображення ділянок світлової 1 і темнової 2 кривих

вольт-амперної характеристики фотоперетворювача, що показує можливість

експериментального визначення величин послідовно включеного

і шунтуючого опорів

1.9. Ефективність роботи фотоперетворювача

При створенні реальної конструкції напівпровідникового фотоперетворювача прагнуть до досягнення максимальної ефективності перетворення в ньому енергії електромагнітного випромінювання в електричну. Ефективністю перетворення η називається відношення максимальної потужності Р_т фотоелемента до потужності падаючого на нього електромагнітного випромінювання Р₀:

. (1.45)

Ефективність перетворення залежить як від властивостей напівпровідникових матеріалів фотоелемента, так і від його конструктивних особливостей.

Рис. 1.6. Конструкція фотоперетворювача з р-n-переходом.

На рис. 1.6 приведене схематичне зображення фотоелемента для перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну. Основою приладу є пластина з моно- чи полікристалічного напівпровідника з плоскопараллельними поверхнями. Для визначеності показано, що ця пластина має електропровідність n-типу. Напівпровідникова пластина піддається легуванню і формується електрична неоднорідність, у даному випадку р—n- перехід. Зрозуміло, що неоднорідність може бути створена й іншим способом, наприклад, нанесенням на поверхню напівпровідника n-типу іншого напівпровідника, що відрізняється не тільки знаком електропровідності, але і хімічним складом, шириною забороненої зони й інших параметрів. У цьому випадку ми говоримо про гетероперехід. Неоднорідність може бути також створена шляхом нанесення на поверхню основної напівпровідникової пластини шару металу, у якого робота виходу має більше значення, ніж у напівпровідника. При цьому електрична неоднорідність формується біля самої поверхні напівпровідника, а енергетичний бар'єр, що утворився, називається бар’єром Шоткі. Неоднорідність може бути також створена за допомогою імпульсного лазерного випромінювання.

Надалі поверхню напівпровідникової пластини, через яку в прилад проникає світло, що збуджує в ньому нерівноважні носії струму, ми будемо називати передньою поверхнею. Електрична неоднорідність (гомоперехід, гетероперехід, бар'єр Шоткі) може бути створена технологічними засобами як передньої, так і біля задньої поверхні пластини. В залежності від цього розрізняють передньостінкові і задньостінкові фотоперетворювачі. Створений у напівпровідниковій пластині перехід розділяє її на дві області, Передня область зазвичай називається емітером, а задня — базою. Варто сказати,що ця термінологія, запозичена з теорії напівпровідникових транзисторів, не відбиває функціонального призначення відповідних частин перетворювача. Тому дуже часто та частина переходу, що граничить з освітлюваною поверхнею, називається просто верхньою.

При використанні у фотоперетворювачах гетеропереходів, як функціональне призначення, так і назва окремих його частин змінюються. Напівпровідник з більш широкою забороненою зоною використовується для створення прозорої частини гетероперехода. Світло, проходячи цю частину структури майже без поглинання, попадає в напівпровідниковий шар з більш вузькою забороненою зоною, де і відбувається його поглинання й утворення електрон-діркових пар. Відповідно до цього більш широкозона частина гетеропереходу називається вікном, а більш вузькозона — поглиначем.

Створення фотоперетворювача завершується нанесенням металевих контактів на емітерну і базову області. При цьому контакт із базовою областю n-типу повинен бути антизапірним для електронів і може являти собою суцільний шар металу. Контакт з областю емітера (передній контакт) повинен бути антизапірним для дірок. Звичайно він виконується у вигляді сітки, щоб булопропустити випромінювання в прилад. Зазвичай при цьому від 5 до 10% енергіїсвітла губиться, і ефективність роботи фотоперетворювача зменшується.

Крімперерахованих частин фотоелемента, які варто вважати основними, ще й допоміжні шари, до числа яких варто віднести анти відбивне покриття, що зменшує частку відбитого від передньої поверхні приладу випромінювання, а також захисне покриття зі смоли, чи лаку полімерного, матеріалу,що охороняє його від механічних ушкоджень і згубної дії хімічно активнихдомішок в атмосфері. Зазвичай електромагнітне випромінювання, що використовується для збудження фотоперетворювача, являє собою сукупність світловихквантів різних енергій. Будемо вважати, що у світловому потоці, що падає на передню поверхню фотоперетворювача, можна знайти випромінювання, практично, з будь-якою довжиною хвилі, тобто .

Повна енергія, що надходить на поверхню фотоелемента за одиницю часу, потужність падаючого на нього випромінювання, виражену у ватах, матиме вигляд:

. (1.46)

Залежністьпотужності електромагнітного випромінювання, що міститься в одиничному інтервалі довжин хвиль, від довжини хвилі, називається спектром випромінювання. Зазвичай спектр випромінювання тіла, нагрітого до визначеної температури, являє собою криву з максимумом. На рис. 1.7 крива 1 преставляє спектр випромінювання абсолютно чорного тіла. Довжина хвилі, на якійспостерігається максимум потужності випромінювання, залежить від температури. Спектр випромінювання Сонця, виміряний за межами земної атмосфери для того, щоб уникнути селективного поглинання світла різними компонентами атмосфери, близький до спектра випромінювання абсолютно чорного тіла при температурі близько 6000 К (див. криву 2).

1.7. Спектральний розподіл випромінювання абсолютно чорного тіла при колірній турі 5760 К (крива 1) і спектр випромінювання Сонця за межами земної атмосфери (крива 2).

Повертаючись до формули (1.45), постараємося зрозуміти, від яких факторів залежить струм короткого замикання і ЕРС холостого ходу елемента. Теоретично від фотоперетворювача можна одержати максимальне значення короткого замикання, якщо кожний з поглинених у ньому світлових квантів з довжиною хвилі генерує вільний носій струму і всі утворені світлом носії попадають у зовнішній ланцюг фотоелемента. Тут λ_g— довжина світла з енергій кванта, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника Е_g:

У такий спосіб:

. (1.47)

Однак, у реальному фотоелементі діють кілька факторів зменшення величини струму короткого замикання в порівнянні з максимальним значенням. По-перше, не все падаюче на фотоелемент світло проникає в кристал. Частина випромінювання відбивається від поверхні напівпровідника. Якщо з I світлових квантів з довжиною хвилі λ, що

падають на поверхню фотоелемента, I^* відбиваються від неї, то цей процес характеризується коефіцієнтом відбивання R^*, величина якого є функцією довжини хвилі падаючого світла

. (1.48)

Введемодеяке ефективне значення коефіцієнта відбивання, усереднене по всій області спектра.

. (1.49)

Таким чином, можна одержати наближене до реального значення струму короткого замикання, помноживши величину (І_кз)_мах на співмножник

. (1.50)

Використання антивідбивних покрить дозволяє зменшити частку відбитого від 35-40% до 10-12%, забезпечивши тим самим підвищення ефективності роботи фотоперетворювача.

Іншою, вже відомою нам, причиною зменшення величини струму короткого замикання, є рекомбінація неосновних носіїв заряду, що здійснюється як в об’ємі, так і на поверхні фотоперетворювача. При цьому не всі генеровані світлом носії струму попадають у зовнішній ланцюг, тобто відбувається неповне їхнє збирання. Ефективністю збирання η_с можна вважати відношення реальної величини струму короткого замикання до його величини у випадку відсотності рекомбінації у фотоелементі. Рекомбінація нерівноважних носіїв зменшує не тільки величину струму короткого замикання, але і величину ЕРС холостого ходу. При відсутності рекомбінації розімкнутий фотоелемент повинен розвивати при освітленні фотоЕРС, рівну величині дифузійної різниці потенціалів U_d. Остання величина, у свою чергу, залежить від різниці в положенні рівнів Фермі в ділянках напівпровідника з провідністю n- і p-типу. Граничне значення U_d відповідає величині e^-1 E_g де E_g — ширина забороненої зони напівпровідника, у якому створений р—n-перехід. Це значення може бути досягнуте при мінімальній відстані від рівнів Фермі в різних частинах переходу до країв відповідних зон. Таким чином, чим сильніше легована ділянка n-типу донорами, а ділянка р-типу акцепторами, тим у більшій степеніі величина U_d буде наближатися до різниці потенціалів, що відповідає ширині забороненої зони напівпровідника. Однак, необхідно пам'ятати, що ЕРС холостого ходу елемента обмежена темновим значенням його генераційного (див. формулу 1.38). Зазвичай U_хх значно менше величини U_d, склдааючи 50-55% від її значення. Тому ефективність роботи перетворювача розумно характеризувати не абсолютним значенням ЕРС холостого ходу, а відношенням —, що називається коефіцієнтом напруги.

Сумуючи все вищесказане, можна записати для ефективності роботи фотоперетворювача формулу:

. (1.51)

Є й інші фактори, що обмежують ефективність перетворення елементом енергії сонячного випромінювання в електричну. До них відноситься зменшення інтенсивності збуджуючого світла в результаті затінення частини передньої поверхні фотоелемента нанесеною на неї контактною сіткою. Крім того, товщина елемента може виявитися недостатньою для активного поглинання усього випромінювання, що пройшло у фотоелемент через його передню поверхню. Нарешті, ефективність може зменшуватися в результаті падіння частини, напруги, що генерується елементом, на послідовно включених опорах контактних переходів (R_c₁ R_c₂, R_c₃ ) об'ємних частин емітера (R_e) і бази (R_b, а також верхньої контактної решіітки (рис. 1.8).

Вираз (1.51) дозволяє зрозуміти, як залежить ефективність роботи фотоперетворювача від ширини забороненої зони напівпровідника, з якого він виготовлений. Помножимо чисельник і знаменник виразу на енергію світлових квантів, що міститься в тій частині спектра, що активно поглинається провідником, одержимо:

(1.52)

Розглянемо перші два співмножники цього виразу, представлені у вигляді дробів. Перший співмножник показує, що світлові кванти з енергією меншою, ніж ширина забороненої зони E_g, не можуть зробити свій внесок в утворення електрон-діркових пар в напівпровіднику.

Рис. 1.8. Локалізація у фотоелементі послідовно включених опорів.

Отже, при збудженні сонячним світлом розглянуте співвідношення буде мати меншу величину в тих фотоперетворювачах, що виготовлені з більш широкозонних напівпровідників.

Другий співмножник описує втрати ефективності перетворення, пов'язані з надлишком енергії поглинених квантів. При поглинанні фотонів з енергією, що перевищує ширину забороненої зони, на утворення вільних носіїв використовується лише порція енергії, рівна E_g Інша енергія світлового кванта розсіюється в напівпровідниковому матеріалі у вигляді тепла. Ясно, що ці будуть максимальними у вузькозонних напівпровідниках. Зі збільшенням ширини забороненої зони ефективність використання поглинутих світловихквантів буде зростати, однак фотоперетворювач буде поглинати все і меншу частину сонячного спектра. Тому залежність ефективності фотоперетворення від ширини забороненої зони напівпровідника являє собою криву з максимумом (див. рис. 1.10). Відповідно до цієї кривої можна вибрати для виготовлення перетворювача матеріал з оптимальною Е_я.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
ВАХ освітленого фотоелемента.	\|

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.009 сек.