lecture03 (1185062)

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

Текст из файла

Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)3. Физические основы процессов преобразования солнечной энергии3.1. Интенсивность солнечного излученияИсточником энергии солнечного излучения служит термоядерная реакция на Солнце. Основная часть этой энергии испускается в виде электромагнитного излучения в диапазоне 0,2-3 мкм. При прохождении через атмосферусолнечный свет ослабляется, в основном из-за поглощения инфракрасногоизлучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озоном и рассеянияизлучения молекулами газов и находящимися в воздухе частицами пыли иаэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы на интенсивностьи спектральный состав солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ). При нулевойвоздушной массе АМ 0 интенсивность излучения равна E C = 1360 Вт/м2.Величина АМ 1 соответствует прохождению солнечного излучения черезбезоблачную атмосферу до уровня моря при зенитальном расположенииСолнца.

Воздушная масса для любого уровня земной поверхности в любоймомент дня определяется по формулеAM ( x) =x 1,x 0 sin θ(3.1.1)где x – атмосферное давление, Па;x 0 – нормальное атмосферное давление (1,013·105 Па);θ – угол высоты Солнца над горизонтом.Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ 1,5( θ ≈ 42 °). Она принята за стандартную при интегральной поверхностнойплотности солнечного излучения E C = 835 Вт/м2, что необходимо при обеспечении сравнимости результатов исследований различных солнечных элементов. На рис. 3.1.1 приведено спектральное распределение потока фотоноввнеатмосферного (АМ 0) и наземного стандартизованного (АМ 1,5) солнечного излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площад©Кафедра теплоэнергетических систем, 20041Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ку.Рис. 3.1.1. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излучения: 1– внеатмосферное излучение (АМ 0); 2 – наземное стандартизованноеизлучение (АМ 1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела приTC = 5800 К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны λ определяется изсоотношенияhv = hcλ=1,24λ,(3.1.2)где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с;c – скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;λ – длина волны, мкм.Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы переместить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =1,6·10-19 Дж.©Кафедра теплоэнергетических систем, 20042Агеев В.А.

Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощатьсяв материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны E gλг =1,24.EgБолее длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и,следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразования.Запрещенная зона – характеризуется отсутствием энергетическихуровней, различна по ширине для разных материалов.3.2. Фотоэлектрические свойства p–n переходаПростейшая конструкция солнечного элемента на основе монокристаллического кремния показана на рис. 3.2.1. На малой глубине от поверхностикремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом.

На тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.Рис. 3.2.1. Конструкция простейшего солнечного элементаПусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивлениенагрузки Rн . Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн = 0 (режим короткого замыкания) и R н = ∞ (режим холостого хода). Зонные диаграммы для©Кафедра теплоэнергетических систем, 20043Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)этих режимов изображены на рис.

3.2.2. а, б.В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n- и p- областями. Однако через p–n-переход и внешний проводник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемногозаряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в nобласть. Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в конечном итоге также попадают в n-область.

В nобласти возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт к p-области. Награнице контакта к p-области происходит рекомбинация подошедших сюдаэлектронов с фотогенерированными дырками.Рис. 3.2.2. Зонные энергетические диаграммы p–n-перехода при освещении: а– в режиме короткого замыкания; б – холостого хода; в – включения на сопротивление нагрузки.При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис.

3.2.2., б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область от©Кафедра теплоэнергетических систем, 20044Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)рицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-областьположительно. Возникающая таким образом разность потенциалов являетсянапряжением холостого хода U х. х. . Полярность U х. х. соответствует прямомусмещению p–n-перехода.Поток генерированных светом носителей образует фототок I ф .

Величина I ф равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–nпереход в единицу времениIф = qPи,hv(3.2.1)где q – величина заряда электрона;Pи – мощность поглощенного монохроматического излучения.Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv ≥ E g создает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si и GaAs.При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элементеражим короткого замыкания (рис. 3.2.2, а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания I к.

з равенфототокуI к. з = I ф .(3.2.2)В режиме холостого хода (рис. 3.2.2, б) фототок уравновешивается«темновым» током I т – прямым током через p–n-переход, возникающим принапряжении смещения U х. х . Абсолютное значение «темнового» тока⎡⎛ qU х. х ⎞ ⎤I т = I 0 exp ⎢⎜⎟ − 1⎥ = I ф ,AkT⎝⎠ ⎦⎣(3.2.3)откуда при I ф >> I 0U х. х =⎞ AkT I фAkT ⎛ I фln⎜⎜+ 1⎟⎟ ≈ln,qIqI0⎝ 0⎠©Кафедра теплоэнергетических систем, 2004(3.2.4)5Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К=0,86·10-4 эВ/К;T – абсолютная тмпература, К;I 0 – ток насыщения;A – параметр вольт-амперной характеристики p–n-перехода, меняющий-ся для разных отрезков графика от 1 до 2 по следующему законуA = 0,434q∆U ,kT(3.2.5)где ∆U – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае – электронов в p-области).

При актах рекомбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо посредством излучения фотонов с hv ≈ E g , либо расходуется на нагреваниекристаллической решетки. Оба процесса схематически показаны дополнительными стрелками на рис. 3.2.2, б. Т.о., режим холостого хода солнечногоэлемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.3.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элементаНайдем обобщенное выражение для вольт-амперной характеристикиосвещенного p–n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключенисточник питания с варьируемым напряжением.

При положительном напряжени смещения фототок I ф вычитается из «темнового» тока p–n-перехода, апри отрицательном – суммируется с ним. Выражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде⎡ ⎛ qU ⎞ ⎤I = I 0 ⎢exp⎜⎟ − 1⎥ − I ф .⎣ ⎝ AkT ⎠ ⎦©Кафедра теплоэнергетических систем, 2004(3.3.1)6Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивлениянагрузки (рис. 3.2.2., в). Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением I ф , а сам ток нагрузки I н равен результирующему току через p–n-переход (см.

(3.3.1)). Принимая направление тока I ф за положительное,для I н можно записать⎡ ⎛ qU н ⎞ ⎤I н = I ф − I 0 ⎢exp⎜⎟ − 1⎥ ,AkT⎠ ⎦⎝⎣(3.3.2)здесь U н – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе.Выражение (3.3.2) описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику освещенного p–n-перехода. Нагрузочная ВАХ арсенид-галлиевого p–nперехода для значения фототока I ф = 1 А изображена на рис. 3.3.1, а., наэтом же рисунке изображены ВАХ омических сопротивлений нагрузкиIн =Uн,Rн(3.3.3)для Rн1 = 0,1 Ом, Rн 2 = 1,026 Ом и Rн 3 = 10 Ом.Рис. 3.3.1.

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 лекций