МУ-Ф-2Б (Изучение солнечной батареи)

Московский государственный технический университетим. Н.Э.БауманаИ.Н.ФетисовИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИМетодические указания к лабораторной работе Ф-2бпо курсу общей физики.Под редакцией Л.К.МартинсонаИздательство МГТУ им.Н.Э.Баумана 1999Рассмотрен процесс преобразования энергии света в электрическую энергию с помощьюэлектронно-дырочного перехода. Описана методика экспериментального определения характеристик солнечной батареи.

Для студентов 2-го курса.Введение1ВведениеСолнечная батарея (батарея солнечных элементов) - устройство, непосредственно преобразующее энергию солнечного излучения в электрическую. Действие солнечного элемента (СЭ)основано на использовании явления внутреннего фотоэффекта. Получили распространениеконструкции СЭ с р-n - переходами. При облучении в полупроводнике генерируются дополнительные носители заряда, которые перемещаются под действием электрического поляp-n-перехода и создают на внешних выводах фотоЭДС.Цель работы — ознакомиться с процессом преобразования световой энергии в электрическую и определить КПД преобразователя.

Данная работа является продолжением работы"Изучение электронно-дырочного перехода"(Ф-2а), описание которой рекомендуем предварительно изучить.1Теоретическая частьТипичная конструкция СЭ показана на рис. 1. На полупроводниковую пластину с проводимостью n-типа нанесен тонкий слой полупроводника p-типа. На границе двух полупроводников образуется pn-переход. Свет падает со стороны p-слоя.

Для включения СЭ в цепьимеются металлические контакты: сплошной со стороны n-слоя и попериферии - с освещаемой стороны.Напомним, что происходит в p-n-переходе в отсутствие света ивнешнего источника напряжения. В области p-n-перехода образуется двойной электрический слой из положительных и отрицательныхионов примесных атомов, в результате между p и n-областями возникает контактная разность потенциалов U близкая к 1 В в переходе изкремния. При этом через переход протекают два небольших, равныхпо величине и противоположных по направлению тока: не основныхносителей -Is и основных носителей +Is . , в результате суммарный токРис. 1.через переход равен нулю. Если к p-n -переходу подключить резистор,то ток в нем будет отсутствовать.

Хотя в контуре имеется разность потенциалов Uк междуp- и n - областями, напряжение на резисторе все же равно нулю так как его компенсируютконтактные разности потенциалов между полупроводниками и металлическими контактами.Таким образом, в отсутствие света и при одинаковой температуре всех участков замкнутойцепи электрический ток отсутствует в соответствии с законом сохранения энергии.Внешние, валентные электроны атомов полупроводника принадлежат кристаллу в целом,при этом они имеют дискретные значения энергии, объединенные в энергетические зоны.Поглощая квант света, электрон занимает более высокий энергетический уровень в кристалле, например, переходит из валентной зоны в зону проводимости, создавая в валентной зоневакансию (дырку). В результате появляются дополнительные носители тока - электроны проводимости и дырки.

Это явление называется внутренним фотоэффектом.Внутренний фотоэффект имеет "красную границу": энергия кванта света (фотона) должнапревышать ширину запрещенной зоны Eg , разделяющей валентную зону и зону проводимости,т.е. hν ≥ Eg , где h - постоянная Планка, ν - частота света. В кремнии внутреннийфотоэффект имеет место для волн с длиной λ ≤ 1,1 мкм. т.

е. для видимого, ультрафиолетового и ближнего инфракрасного излучений.Рассмотрим, что происходит в СЭ при освещении. Излучение поглощается в p - области иге-нерирует в ней электронно-дырочные пары, образующиеся вблизи р-n-перехода. Электроны (не основные носители в р -области) перебрасываются контактным полем в n -область,заряжая ее отрицательно. Подавляющая часть дырок не способна преодолеть потенциальныйбарьер и остается в p - области, заряжая ее положительно.

Электрическое поле контактаТеоретическая часть2пространственно разделяет отрицательные электроны и положительные дырки образующиесяпод действием света. Вследствие этого на переходе формируется прямое смещение U , понижающее потенциальный барьер на величину qU, где q - заряд электрона по модулю. Перемещение электронов через p-n-переход создает ток - Iф, называемый первичным фототоком,которому, как и току неосновных носителей, приписывают отрицательный знак. ПонижениеqUбарьера ведет к возрастанию тока основных носителей, который становится равным Is e kT .

Таким образом, через переход протекают следующие токи: неосновных носителей -Is , основныхqUносителей +Is e kT и первичный фототок -Iф.Полный ток через p- n- переход равенqUI = Is (e kT − 1) − I ф.(1)Эта формула описывает вольт - амперную характеристику (ВАХ) идеального СЭ. Из нее легкоопределить прямое смещениеkTIф + IU=ln(+ 1)(2)qIsТаким образом, при освещении p-n-перехода контактная разность потенциалов в нем уменьшилась на величину U, а другие контактные разности потенциалов не изменились.

В результате на клеммах СЭ появилось напряжение U , называемое фотоЭДС, в сопротивлении - ток I. Следовательно, p- n- переход стал источником тока, в котором энергия света преобразуетсянепосредственно в электрическую энергию. Так как фотоЭДС равна понижению контактногонапряжения, она не может превысить само контактное напряжение Uк (для кремния примерно1В).Как во всяком другом источнике тока в СЭ должны быть сторонние силы, природа которых отличается от сил электростатического поля. Под действием электростатических силзаряды перемещаются в направлении уменьшения потенциальной энергии. Для непрерывного протекания тока по замкнутой цени необходимо, чтобы хотя бы на одном участке цепизаряды перемещались в направлении от меньшей к большей потенциальной энергии, т.е.

поднимались на потенциальный барьер. Это участок действия сторонних сил. Их физическаяприрода может быть различной. В гальванических элементах сторонние силы возникают врезультате химических реакций на электродах, а энергия, освобождаемая в реакциях, превращается в работу тока. В явлении электромагнитной индукции сторонние силы - это силыэлектрического поля, однако не электростатического, а вихревого. В СЭ потенциальная энергия электронов повышается за счет энергии фотонов, когда электроны переходят на болеевысокий энергетический уровень в кристалле - из валентной зоны в зону проводимости.Первичный фототок пропорционален потоку излучения (мощности излучения) Ф, падающему на СЭ: Iф=αФ, где α-коэффициент пропорциональности.

Ток I в нагрузке зависит отIф и сопротивления нагрузки R . При коротком замыкании СЭ, когда R = 0, напряжениена сопротивлении U=IR=0, а ток, как следует из (1), равен Iф. Это означает, что все генерированные светом носители поступают во внешнюю цепь, а высота барьера в p-n-переходене изменяется. Если внешняя цепь разомкнута, то I=0. При этом напряжение, называемоенапряжением холостого хода Uxx , как следует из (2), равноU = Uxx =kTIфln( + 1)qIs(3)Из (3)видно, что напряжение логарифмически (слабо) растет с ростом первичного фототокаили потока излучения.Часто солнечные элементы включают в батареи: последовательно - для увеличения напряжения, параллельно - для увеличения тока.Зависимость тока от напряжения, т.е.

вольт - амперная характеристика идеального СЭ,показана на рис.2 . Каждой точке кривой соответствует определенное сопротивление нагрузки: с увеличением R напряжение растет, а ток падает. В нагрузке выделяется электрическаямощность R=IU. Она зависит от R и при некотором его значении Rm достигает максимальногозначения Pm =Im Um , где Im и Um - ток и напряжение при максимальной мощности (максимальная мощность равна площади заштрихованного прямоугольника на рис. 2) .

При измененииЭкспериментальная часть3потока излучения ВАХ изменяются так, как показано на рис. 3. С ростом Ф увеличиваютсянапряжение, ток и мощность, а оптимальное сопротивление Rm уменьшается.Коэффициентом полезного действия СЭ называют отношениемаксимальной электрической мощности к потоку падающего излученияη = Pm /Ф(4)Рис. 2.Рис.

3.Многие процессы уменьшают КПД, отметим некоторые изних. Частично свет отражается от поверхности полупроводника, поэтому для уменьшения отражения СЭ покрывают интерференционным просветляющим слоем. Фотоны, энергия которыхнедостаточна для внутреннего фотоэффекта, не дают вклада вэлектрическую энергию. Некоторые пары электрон - дырка рекомбинируют и не дают вклада в фототок. Мощность теряетсяпри прохождении тока через объемное сопротивление полупроводника. Согласно теории, солнечный элемент из кремния имеетКПД не более 20%, а практически - меньше.