СЭ - Спектральная чувствительность и ВАХ солнечного элемента (991023)
Текст из файла
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).
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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
