СЭ - Спектральная чувствительность и ВАХ солнечного элемента (Описания лабораторных и мануал к типовому расчету)

УДК621.38Л-556 Министерствообщего и профессиональногообразования Российской Федерации_____________________Московский энергетический институт(технический университет)В. А. Лигачев, А. И. ПоповЛабораторная работаСпектральная чувствительность ивольт-амперная характеристикасолнечного элементаМоскваИздательство МЭИ1999http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru2УДК621.38Л-556УДК: 621.383.8:535.215 (076.5)Утверждено учебным управлением МЭИПодготовлено на кафедре физики и технологии электротехническихтериалов и компонентовма-Лигачев В.А., Попов А.И.

/ Ред. А.И. ПоповЛабораторная работа “Спектральная чувствительность и вольтамперная характеристика солнечного элемента” по курсу “Физика итехнология приборов основе некристаллических полупроводников” М.: изд-во МЭИ, 1999, − 15 С.Описана методика выполнения лабораторной работы по экспериментальному исследованию и расчету основных характеристик фотоэлектрических преобразователей солнечной энергии на основе кристаллического иаморфного кремния.Предназначено для студентов специальности 2001.Учебное изданиеЛигачев Валерий АлексеевичПопов Анатолий ИгоревичСпектральная чувствительность и вольт-амперная характеристикасолнечного элементаЛабораторная работа по курсу“Физика и технология приборов на основенекристаллических полупроводников”Корректор Е.Н.КасьяноваЛР № 020528 от 05.06.97Темплан издания МЭИ 1999(2) метод. Подписано к печати 10.02.99Формат бумаги 60х84/16. Физ печ. л.

1.5. Тираж 50. Изд № 8Издательство МЭИ, 111250, Москва, Красноказариенная, д. 14 Московский энергетический институт, 1999http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru3ВВЕДЕНИЕВ настоящее время применение известных и разработка новых экологически чистых источников электрической энергии приобретают особое значение в связи с неуклонно повышающимся уровнем загрязнения земной атмосферы двуокисью углерода сопровождающимся ростом влияния так называемого “парникового эффекта” и вызванным им потеплением климата нашей планеты. Среди наиболее перспективных источников такого рода важное место занимают фотоэлектрические полупроводниковые преобразователи (ФЭПП) солнечной энергии.

Достоинством этих устройств является безотходность технологии преобразования энергии и относительно простая конструкция, что позволяет использовать их в самых различных климатическихусловиях, включая работу на космических аппаратах. К недостаткам ФЭПП,прежде всего, следует отнести довольно низкие (в диапазоне 0,5 — 28 % [1])значения коэффициента полезного действия и высокую стоимость получаемой энергии. Однако в настоящее время интенсивно развивается ряд направлений научных и технологических исследований, нацеленных на улучшениеэтих показателей ФЭПП. Наиболее значимые результаты надеются получитьот использования в качестве основы ФЭПП аморфных полупроводниковыхматериалов и так называемых “тандемных” конструкций преобразователейсолнечной энергии.

Среди аморфных полупроводников наиболее перспективным для создания ФЭПП в настоящее время считают гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) и сплавы на его основе. Для повышенияэффективности преобразования солнечной энергии представляется привлекательным соединить в одном устройстве два (тандем) или более p-n переходовс тем, чтобы каждый из них работал с высокой эффективностью в ограниченном спектральном диапазоне.Для определения перспективности использования того или иного материала в качестве основы для создания ФЭПП, прежде всего, необходимо определить спектральную зависимость фотоэлектрических параметров материала, в частности, квантового выхода внутреннего фотоэффекта η, коэффициента оптического поглощения α и сравнить полученные спектры со спектром мощности E(λ) солнечного излучения (рис. 1).

Поскольку характерфункции E(λ) существенно зависит от условий измерения (уровень интенсивности потока солнечного излучения в околоземном космическом пространстве принято обозначать как АМ0 , на экваторе — АМ1, в средних широтах при высоте солнца 41о49’ – АМ1,5, при высоте Солнца 30о – АМ2, ит.д.) то требования к материалу зависят от условий работы проектируемогоФЭПП. Однако практика показывает, что удачный выбор того или иного материала в качестве основы для создания ФЭПП еще не гарантирует высокиххарактеристик всего устройства. Не менее важную роль играет совершенствотехнологии изготовления прибора в целом. Для количественной оценки эффективности конструкции ФЭПП удобно воспользоваться эквивалентнойhttp://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru4электрической схемой замещения его параметров.

В настоящей работе параметры схемы замещения ФЭПП оцениваются по результатам исследованияспектральной чувствительности двух ФЭПП (на основе аморфного материалаи его кристаллического аналога) и их вольт – амперных характеристик в темноте и при освещении.Рис. 1.Спектральное распределение энергии солнечного излучения при различных значениях атмосферной массы: 1 – АМ0,2– АМ1, 3 – АМ2, 4 – АМ3, 5 – АМ4 и 6 – АМ5.Целью работы является сравнительное исследование спектральной чувствительности двух ФЭПП (на основе аморфного и кристаллического кремния), их вольт − амперных характеристик в темноте и при монохроматическом освещении, а также использование полученных данных для расчета параметров эквивалентной схемы замещения исследованных ФЭПП и параметров расчетного соотношения для вольт − амперной характеристики приборов.1.

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ИЭКВИВАЛЕНТНАЯ СХЕМА ФЭППВ простейшем случае ФЭПП может состоять из единственного p-n − перехода, расположенного на сравнительно небольшой (1 − 2 мкм) глубине отосвещаемой поверхности полупроводника. Поглощение света с энергиейквантов hν больше ширины запрещенной зоны материала Eg приводит (засчет внутреннего фотоэффекта) к возникновению свободных электронов идырок как в p и n областях перехода, так и в непосредственно примыкающейк границе их раздела области пространственного заряда (ОПЗ).

Существую-http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru5щее в ОПЗ электрическое поле разделяет созданные светом свободные носители заряда в зависимости от их знака: свободные электроны выбрасываютсяв n- область перехода, а дырки − в p-область [2]. Отметим, что при разомкнутой внешней цепи электроны и дырки, концентрирующиеся соответственно вn и p областях диода, приводят к появлению разности потенциалов, смещающей p-n переход в прямом направлении.

Если же ФЭПП подключен вовнешнюю электрическую цепь, то создаваемые при освещении избыточныеконцентрации электронов и дырок приведут к возникновению во внешнейцепи электрического тока. Таким образом, во время освещения ФЭПП происходит преобразование энергии квантов света в энергию движущихся повнешней цепи электрических зарядов. Типичные значения напряжения Uхххолостого хода (напряжение между p- и n- областями прибора, отсоединенного от внешней электрической цепи) описанного выше однокаскадногоФЭПП обычно находятся в диапазоне 0,3 − 1,0 эВ [2], и в основном определяются электрофизическими параметрами и степенью легирования материала, на основе которого изготовлен ФЭПП. Другой важной характеристикойприбора является его ток короткого замыкания Iкз, определяемый при коротком замыкании между металлизированными контактами к p- и n- областямФЭПП.

Естественно, что величина Iкз зависит не только от электрофизических параметров прибора, но и от его площади, поэтому часто вместо Iкз используют другую характеристику − плотность тока короткого замыкания Jкз,которая равна частному от деления Iкз на площадь освещаемой поверхностиприбора. Типичные значения этого параметра для используемых на практикеФЭПП находится в пределах от единиц до нескольких десятков миллиамперна квадратный сантиметр освещаемой площади прибора [2, 3].

Из-за резкойзависимости коэффициента поглощения полупроводника от энергии квантовсвета измеряемые в эксперименте значения Uхх и Iкз (или Jкз) будут в весьмазначительной степени зависеть от спектрального состава оптического излучения, падающего на ФЭПП. Поэтому для унификации измерений соответствующих характеристик ФЭПП широко используются так называемые имитаторы солнечного спектра [1, 2], дающие излучение со спектральным составом, близким к спектру Солнца (обычно при условиях измерения от АМ0 доАМ2). На рис.2 показаны типичная вольт − амперная характеристика кремниевого ФЭПП измеренная при условиях освещения АМ0 (1, сплошная линия) и темновая (измеренная в отсутствии освещения) вольт − амперная характеристика этого же прибора (2, пунктирная линия).http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А.

Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru6Рис. 2. Типичная вольт − амперная характеристика ФЭПП на основе кристаллического кремния при измерении на имитаторе внеатмосферногоСолнца [1]. Кривая 1 – световая характеристика, кривая 2 – темновая.На рисунке также проиллюстрированы методы определения некоторых параметров эквивалентной схемы замещения ФЭПП и уравнения вольт-амперной характеристики.Символами Uн и Jн обозначены значения напряжения и плотности тока в нагрузочной цепи при режиме работы ФЭПП, соответствующему максимальной выделяемой мощности на сопротивлении нагрузки (см. рис.2): максимальной площади прямоугольника с противолежащими вершинами в началекоординат и на принадлежащем первому квадранту участка световой вольт −амперной характеристики ФЭПП.

Важным параметром ФЭПП является коэффициент заполнения вольт − амперной характеристики ξ, определяемыйотношением площади под световой вольт − амперной характеристикой прибора в первом квадранте системы координат на рис.2 к площади прямоугольника со сторонами Uхх и Jкз. У современных солнечных элементов на основекристаллического кремния величина параметра ξ обычно находится в пределах 0,75 − 0,80 [1], а для однокаскадного ФЭПП на основе аморфного кремния величина этого параметра обычно не превышает 0,7 [3].Поскольку в простейшем варианте ФЭПП представляет собой полупроводниковый диод, то его световая вольт − амперная характеристика определяется соотношением, полученным [2] модификацией соответствующего соотношения для неосвещаемого p-n перехода:http://ftemk.mpei.ac.ru/ncsПодготовлено В.А. Воронцовым © 2002e-mail: vlad@ftemk.mpei.ac.ru e ⋅ (U + I Н Rп )   UI Н = I ф − I он ⋅ exp  − 1 − R ,AkT  ш7(1)где IФ – фототок, протекающий через переход, IОН – обратный ток насыщения, e – заряд электрона, RП – последовательное сопротивление ФЭПП, A –коэффициент, получаемый из сравнения теоретической и экспериментальнойвольт – амперных характеристик (обычно принимает значения от 1 до 5 [2]),k – постоянная Больцмана, T – температура прибора, RШ – шунтирующее сопротивление ФЭПП.Введенные выше параметры вольт – амперной характеристики ФЭППпозволяют построить эквивалентную схему ФЭПП (рис.3).