МУ - К-69 (1003923), страница 2
Текст из файла (страница 2)
5).Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоямиполупроводника,ивовнешнейцепипоявляетсянапряжение.Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой –положительному. Электрическое поле контакта пространственно разделяет отрицательныеэлектроны и положительные дырки, образующиеся под действием света. Вследствие этогона переходе формируется прямое смещение U, понижающее потенциальный барьер навеличину еU, где е - заряд электрона по модулю. Перемещение электронов через p-nпереход создает ток – IФ = IS, называемый первичным фототоком, которому, как и току неосновных носителей, приписывают отрицательный знак – IS.Таким образом, понижение контактнойразности потенциалов ведет к возникновениюпрямого смещения U на концах солнечногоэлемента и, следовательно, к возрастаниютока основных носителей, который становитсяeUкравным I0sexp(eU/(kT)).
Таким образом, черезпереход протекают следующие токи: неосновных носителей –I0S, основных носителей+I0Sexp(eU/(kT)) и первичный фототок –IS.Полный ток через p- n- переход равен:Рис. 5. Схема энергетических уровней p-nконтакта. eUI I осн I неосн I ф I 0 S e kT 1 I S(1)При отсутствии внешнего освещения, IS = 0 и формула (1) принимает вид: eUI I 0 S e kT 1(2)и описывает ВАХ идеального, неосвещенного p- n- перехода.Из формулы, описывающей вольт - амперную характеристику (ВАХ) идеального СЭ,можно определить прямое смещение:UkT I I Sln 1e I 0S(3)Таким образом, при освещении p-n-перехода контактная разность потенциалов в нем6уменьшается на величину U, а другие контактные разности потенциалов не изменяются.
Врезультате на клеммах СЭ появляется напряжение U, называемое фото ЭДС, а черезсопротивление течет ток I. На сопротивлении R выделяется электрическая энергия.Следовательно, p-n - переход стал источником тока, в котором энергия светапреобразуется непосредственно в электрическую энергию.
Так как фото ЭДС равнапонижению контактного напряжения, она не может превысить само контактноенапряжение U (для кремния примерно 1В).Как во всяком другом источнике тока в СЭ должны быть сторонние силы, природакоторых отличается от сил электростатического поля. Под действием электростатическихсил заряды перемещаются в направлении уменьшения потенциальной энергии.
Длянепрерывного протекания тока по замкнутой цепи необходимо, чтобы хотя бы на одномучастке цепи заряды перемещались в направлении от меньшей к большей потенциальнойэнергии, т.е. поднимались на потенциальный барьер. Это участок действия сторонних сил.Их физическая природа может быть различной. В гальванических элементах сторонниесилы возникают в результате химических реакций на электродах, а энергия,освобождаемая в реакциях, превращается в работу тока. В условиях явленияэлектромагнитной индукции сторонние силы - это силы вихревого электрического поля. ВСЭ потенциальная энергия электронов повышается за счет энергии фотонов, когдаэлектроны переходят на более высокий энергетический уровень в кристалле - извалентной зоны в зону проводимости.Первичный фототок пропорционален потоку излучения (мощности излучения) Ф,падающему на СЭ: IS= Ф, где - коэффициент пропорциональности.
Результирующийток I в нагрузке зависит от IS и от сопротивления нагрузки R. При коротком замыканииСЭ, когда R = 0, напряжение на сопротивлении U=IR=0, а ток, как следует из (1), равен IS. Это означает, что все генерированные светом носители поступают во внешнюю цепь, авысота барьера в p-n-переходе не изменяется. Если внешняя цепь разомкнута, то I=0. Приэтом напряжение, вырабатываемое СЭ и называемое напряжением холостого хода Uxx, какследует из (3), равно:U U XX kT I Sln 1e I 0S(4)Из (4) видно, что напряжение логарифмически (слабо) растет с ростом первичногофототока.Подбор требуемой мощности, вырабатываемой СБ можно осуществить за счетсоединений СЭ. Часто солнечные элементы включают в батареи: последовательно - дляувеличения напряжения, параллельно - для увеличения тока.Зависимость тока от напряжения, т.е.
вольтамперная характеристика идеального СЭ,показана на рис. 6. Каждой точке кривой соответствует определенное сопротивлениенагрузки: с увеличением R напряжение растет, а ток падает. В нагрузке выделяетсяэлектрическая мощность P = IU.7I, мАIsImPmU, ВUmUxxРис. 6. ВАХ солнечного элемента.Мощность зависит от сопротивления нагрузки R и при некотором его значении Rmдостигает максимального значения Pm=Im·Um, где Im и Um - ток и напряжение примаксимальной мощности (максимальная мощность равна площади заштрихованногопрямоугольника на рис. 6). При изменении интенсивности излучения ВАХ изменяютсятак, как показано на рис.
7. С ростом J увеличиваются напряжение, ток и мощность, аоптимальное сопротивление Rm, то есть сопротивление, при котором мощность,вырабатываемая СБ максимальна, уменьшается. На рис.7 штриховой линией показанаI, мАJ1, Вт/м2Pm2J2, Вт/м2J3, Вт/мU, ВРис. 7. ВАХ солнечного элемента при различной интенсивности J1 > J2 > J3.максимальная мощность при различной интенсивности светового потока на СБ.Коэффициент полезного действия (КПД) СБ рассчитывают по формуле:8,-(5)поток излучения, падающий на поверхность СБ.Многие процессы уменьшают КПД, отметим некоторые из них.
Частично светотражается от поверхности полупроводника, поэтому для уменьшения отражения СЭпокрывают интерференционным просветляющим слоем. Фотоны, энергия которыхнедостаточна для внутреннего фотоэффекта, не дают вклада в электрическую энергию.Некоторые пары электрон - дырка рекомбинируют и не дают вклада в фототок. Мощностьтеряется при прохождении тока через полупроводник, за счет его собственногосопротивления. Согласно теории, солнечный элемент из кремния имеет КПД не более20%, а на практике - менее 10 %.
Ведутся исследования с целью уменьшения стоимости иповышения коэффициента полезного действия СЭ.В данной работе мы будем определять КПД в случае, когда источником светаявляется лампа накаливания, спектр которой отличается от солнечного. Поэтомуполученный в опыте КПД может отличаться от КПД при освещении солнцем. Запределами земной атмосферы плотность потока солнечного излучения составляет 1353Вт/м2, а на поверхности земли меньше вследствие поглощения света в атмосфере,зависящего от высоты солнца над горизонтом и состояния атмосферы. Принявориентировочно плотность потока 850 Вт/м2, получим, что солнечная батарея площадью1м2 при КПД 10 % вырабатывает электрическую мощность 85 Вт.Помимо использования СЭ (фотоэлемента) в качестве источника электрической энергииего применяют также в качестве фотоприемника для обнаружения и измеренияколичественных характеристик света, например, в фотографии.Экспериментальная частьЦель экспериментальной части работы:Исследовать и изучить особенности работы солнечной батареи.
Получитьэкспериментально вольтамперные характеристики солнечного элемента при различнойинтенсивности источника света и температурные зависимости напряжения холостого ходаи тока короткого замыкания. Рассчитать КПД солнечной батареи.Основные экспериментальные задачи1. Определение интенсивности света с помощью термобатареи на различныхрасстояниях от источника света.2. Измерение тока короткого замыкания и напряжения холостого хода солнечнойбатареи при различном расстоянии от источника света.3. Продемонстрировать и оценить зависимость напряжения холостого хода, и токакороткого замыкания от температуры.4.
Получить экспериментальные ВАХ солнечной батареи при различнойинтенсивности света и определить коэффициент полезного действия СБ.5. Получить экспериментальные ВАХ солнечной батареи при различных режимахработы: охлаждение солнечной батареи вентилятором, без охлаждения, приосвещении солнечной батареи светом, прошедшим через стеклянную пластинку.96.
Получить экспериментальную характеристическую кривую солнечной батареи приосвещении солнечным светом.Указания к проведению измерений:Солнечный элемент поглощает как прямой свет, идущий от лампы, так и рассеянный свет.Световой конус лампы составляет примерно 30 °. Рассеянный свет возникает в основном врезультате отражения от поверхности стола. Поэтому для подавления отраженногосветового потока необходимо использовать экраны.На рис. 8 показан внешний вид экспериментальной установки, расположение ееосновных составляющих.Основное оборудование1. Кремниевая солнечная батарея (4 ячейки по 2,50х5,00 см2 каждая).2.
Термоэлектрическая батарея.3. Универсальный измерительный усилитель.4. Реостат.5. Комплект ламп.6. Вентилятор.7. Цифровые мультиметры.8. Термометр.9. Стеклянные пластинки.673145892Рис. 8. Внешний вид экспериментальной установки.Термоэлектрическая батареяПринцип работыТермоэлектрическая батарея работает совместно с универсальным измерительнымусилителем и предназначена для измерения интенсивности светового потока.10Термоэлектрическая батарея служит датчиком излучения для широкого спектральногодиапазона длин волн, от УФ до ИК и имеет высокую чувствительность в диапазоне длинволн от 150 нм до 15 мкм. На рис. 9 схематически показано продольное сечениетермобатареи. Зачерненная поверхность детектора состоит из термоэлементов,соединенных последовательно.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
