МУ - К-69 (1003923)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

«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.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов книги