МУ - К-69 (Характеристические кривые солнечных батарей)

«Московский государственный технический университетимени Н.Э. Баумана»(МГТУ им. Н.Э. Баумана)Московский государственный технический университетимени Н.Э. БауманаФакультет «Фундаментальные науки»Кафедра ФН-4 «Физика»О.Ю. Дементьева, С.Л. ТимченкоХарактеристические кривые солнечных батарейМетодические указания к выполнению лабораторной работыПод редакцией Б.Е. ВинтайкинаМоскваИздательство МГТУ им. Н.Э.

БауманаМосква, 20141ВВЕДЕНИЕСолнечная батарея (СБ) - устройство, непосредственно преобразующее энергиюсолнечного излучения в электрическую энергию. СБ состоит из нескольких солнечныхэлементов. Действие солнечного элемента (СЭ) основано на использовании внутреннегофотоэффектавнеоднородныхполупроводниковыхструктурах.Получилираспространение конструкции СЭ с р-п - переходами. При облучении p – области р-п –перехода в полупроводнике генерируются дополнительные носители заряда, которыеперемещаются под действием электрического поля p-n-перехода и создают на внешнихвыводах фото ЭДС.Цель работы - ознакомиться с процессом преобразования световой энергии вэлектрическую, определить электрические характеристики и КПД преобразователя.Лабораторная работа включает следующие темы: полупроводники, полупроводники p и n– типа, p-n-переход, внутренний фотоэффект, вольтамперная характеристика (ВАХ)солнечного элемента (СЭ), энергетические диаграммы полупроводников p- и n- типауровень Ферми, диффузионный потенциал, внутреннее сопротивление.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬВозможность преобразования световой энергии в электрическую основана навнутреннем фотоэффекте – переходе электронов, поглотивших квант излучения, извалентной зоны в зону проводимости (рис.

1).Энергия квантаЕ = hν-Зона проводимостиЕg = hνЗапрещеннаяЗона - ЕgВалентная зонаРис. 1. Схема энергетических зон в беспримесномполупроводнике.Внешние, валентные электроны атомов полупроводника принадлежат кристаллу вцелом, при этом они имеют дискретные значения энергии, объединенные вэнергетические зоны. Поглощая квант света, электрон занимает более высокийэнергетический уровень в кристалле, например, переходит из валентной зоны в зонупроводимости, создавая в валентной зоне вакансию (дырку, рис. 1), то есть происходитвнутренний фотоэффект. В результате появляются дополнительные носители тока 2электроны проводимости и дырки.

Внутренний фотоэффект имеет "красную границу":энергия кванта света (фотона) должна превышать ширину запрещенной зоны E g ,разделяющей валентную зону и зону проводимости, т.е.h hc Eg ,где h - постоянная Планка,  - частота света,  - длина волны. В кремнии внутреннийфотоэффект имеет место для волн с длиной  1,1 мкм. т. е. для ближнего инфракрасногоизлучений, видимого и ультрафиолетового.Для преобразования световой энергии в электрическую используютсяфотоэлектронные преобразователи (ФЭП). Принцип действия ФЭП основан нафотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах привоздействии на них солнечного излучения.

Предшественником современных солнечныхфотопреобразователей является кремниевый солнечный элемент.Использовать энергию солнечных элементов можно так же, как и энергию другихисточников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткогозамыкания.

Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока призаданном напряжении. Но в отличие от других источников тока характеристикисолнечного элемента зависят от количества, падающего на его поверхность света.Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%.Ниже рассматриваются особенности устройства и принцип работы солнечныхбатарей (СБ), которые представляют эффективный фотоэлектрический преобразовательсолнечной энергии. В качестве элементной базы для СБ используют полупроводники.Солнечная батарея представляет собой несколько объединённых фотоэлектрическихпреобразователей (фотоэлементов), преобразующих непосредственно солнечную энергиюв постоянный электрический ток. Преобразование света в электроэнергию с помощьюсолнечных батарей оказалось эффективным способом иметь надежный источник энергии.Солнечные батареи являются одним из основных устройств, которые используются дляполучения электрической энергии на космических аппаратах (КА).

В отличие от ядерныхи радиоизотопных источников энергии СБ представляет собой экологически безопасныйисточник энергии, работающий долгое время без расхода каких-либо дополнительныхматериалов.Электрическая энергия, вырабатываемая СБ зависит от потока солнечной энергии,который обратно пропорционален квадрату расстояния от Солнца и от угловогоположения ее поверхности по отношению к потоку солнечного излучения. При полётах набольшом удалении от Солнца (за орбитой Марса) их использование становитсяпроблематичным и малоэффективным.

При полётах же к Венере и Меркурию, напротив,мощность солнечных батарей значительно возрастает (в районе Венеры в 2 раза, в районеМеркурия в 6 раз).Количество наземного и космического оборудования, требующего электропитанияот солнечных батарей, увеличивается. Солнечные батареи имеют уникальныевольтамперные (ВАХ) и выходные характеристики, которые могут меняться в3I кзТокзависимости от окружающей среды и условий эксплуатации, таких как температура,освещенность, скорость вращения, затенение. Солнечные батареи КА работают вусловиях быстрых и значительных изменений освещенности и температуры,оказывающих сильное влияние на их производительность и КПД.

При этом температураявляется фактором окружающей среды, а затенение — рабочим фактором, вызваннымусловиями полета.На рис. 2 показано, какуменьшаетсявыходнаяP2мощность при увеличенииP1температуры. Также известно,что изменения освещенности40Cоказывают сильное влияние на200C12 Мощностьток короткого замыкания I кз ислабое — на напряжение U xx .ЭтовызваноувеличениемU xxплотности потока фотонов,падающихнасолнечнуюпанельприусиленииизлучения.ВРис.2.

Влияние температуры на выходную мощность солнечногокосмосе объем падающегоСБ:1 – ВАХ при Т  200С ;излучения зависит от угла2 – ВАХ при Т  40Спадения, расстояния до Солнцаизатенения,вызванногокосмическимителамиивращением КА.НапряжениеТипичная конструкция СЭ показана на рис. 3, а схема подключения на рис. 4. НаСветочувствительный,поглощающий слойКонтактная шинаПоложительныйэлектродp- слойp-n переходn- слойОтрицательный электродРис. 3. Устройство кремниевого солнечногоэлемента.4Светpполупроводниковуюпластину с проводимостью nтипа нанесен тонкий слойполупроводника p-типа.

Награницедвухполупроводников образуетсяp-n-переход. Свет падает состороныp-слоя.Длявключения СЭ в цепьимеютсяметаллическиеконтакты:сплошнойсостороныn-слояипопериферии - с освещаемойстороны.n+VАIРассмотримp-nпереход в отсутствие света иРис. 4. Схема подключения СЭ.внешнегоисточниканапряжения.

В области p-nперехода образуется двойной электрический слой из положительных и отрицательныхионов примесных атомов (рис. 5), в результате между p и n-областями возникаетконтактная разность потенциалов Uк. Значение Uк для p–n перехода зависит от количествалегирующих примесей в контактирующих полупроводниках и соответствует разностиэнергетических уровней Ферми, разделенных р- и n- областей.RРасстояние между валентной зоной и зоной проводимости в кремнии при комнатнойтемпературе составляет 1,1 эВ.

Контактная разность потенциалов для полупроводников наоснове кремния составляет 0,5 … 0,7 В. При этом через переход протекают дванебольших, равных по величине и противоположных по направлению тока: неосновныхносителей –I0S и основных носителей +I0S. Итак, в результате суммарный ток черезпереход равен нулю. Если к p–n переходу подключить резистор, то ток в нем будетотсутствовать. Хотя в контуре имеется разность потенциалов Uк между p- и n - областями,напряжение на резисторе все же равно нулю так как его компенсируют контактныеразности потенциалов между полупроводниками и металлическими контактами.

Такимобразом, в отсутствие света и при одинаковой температуре всех участков замкнутой цепиэлектрический ток отсутствует в соответствии с законом сохранения энергии.Рассмотрим, что происходит в СЭ при освещении. Элемент солнечной батареипредставляет собой пластинку кремния n-типа, окруженную тонким слоем кремния р-типатолщиной около одного микрона, с контактами для присоединения к внешней цепи.Солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзяописать линейным законом Ома.

Излучение поглощается в p -области и генерирует в нейнеравновесные электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи р-n-перехода.Электроны (неосновные носители в р -области) перебрасываются контактным полем в n 5область, заряжая ее отрицательно. Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое,частично переносятся в p-слой. Подавляющая часть дырок не способна преодолетьпотенциальный барьер и остается в p - области, заряжая ее положительно (рис.