ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ИЗУЧЕНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

1.ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

1.1Солнечное излучение
Количество энергии, попадающей на земную поверхность от Солнца, огромно. Солнечные энергетические технологии превращают электромагнитное излучение Солнца в формы тепла и электроэнергии.
Существуют три основных технологии использования солнечной энергии:
• Солнечные коллекторы для нагрева жидкого или газообразного теплоносителя.
• Технология концентрированной солнечной энергии, в которой солнечное тепло используется для получения пара, с помощью которого турбины вырабатывают электроэнергию (рис. 1.1).

рис. 1.1

• Фотоэлектрические технологии, позволяющие напрямуюпреобразовывать солнечное излучение в электричество.
Сегодня солнечное электричество широко используется в удаленных районах, где нет централизованного электроснабжения, или для электроснабжения домов, офисов и других зданий в местах, где есть централизованная сеть электроснабжения. В последние годы именно это применение обеспечивает около 90% рынка солнечных панелей. В подавляющем большинстве случаев солнечные панели работают параллельно с сетью и генерируют экологически чистое электричество для сетей централизованного электроснабжения. Во многих странах существуют специальные механизмы поддержки солнечной энергетики, например, специальные повышенные тарифы для поставки электроэнергии от солнечных панелей в сеть, налоговые льготы, льготы при получении кредитов на покупку оборудования и т.п.

Интенсивность солнечного света, которая достигает Земли, меняется в зависимости от времени суток, года, местоположения и погодных условий. Общее количество энергии, подсчитанное за день или за год, называется иррадиацией (или «приход солнечной радиации») и показывает, насколько мощным было солнечное излучение. Иррадиация измеряется в [Вт∙ч/м2] в день или за другой период. Интенсивность солнечного излучения в свободном пространстве на удалении, равном среднему расстоянию между Землей и Солнцем, называется солнечной постоянной. Ее величина 1353 Вт/м2 [3]. При прохождении через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном, из-за поглощения инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового – озоном, и рассеяния излучения частицами атмосферной пыли и аэрозолями. Показатель атмосферного влияния на интенсивность солнечного излучения, доходящего до земной поверхности, называется «воздушной массой» (АМ).
На рисунке 1.2 показано спектральное распределение интенсивности солнечного излучения в различных условиях. Верхняя кривая (АМ0) соответствует солнечному спектру за пределами земной атмосферы (например, на борту космического корабля), то есть при нулевой воздушной массе. Она аппроксимируется распределением интенсивности излучения абсолютно черного тела при температуре 5800 К. Кривые АМ1 и АМ2 иллюстрируют спектральное распределение солнечного излучения на поверхности Земли, когда Солнце в зените, и при угле между Солнцем и зенитом 60°,

соответственно. При этом полная мощность излучения составляет порядка 925 и 691 Вт/м2. Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с интенсивностью излучения при АМ1.5 (Солнце находится под углом 45° к горизонту)
[3].

Около поверхности Земли можно принять среднюю величину
интенсивности солнечной радиации 635 Вт/м2, в очень ясный
солнечный день эта величина колеблется от 950 Вт/м2 до 1220 Вт/м2, а среднее значение составляет примерно 1000 Вт/м2 [3].
Пример 1.1. Интенсивность полного излучения в Цюрихе (47°30′ с. ш., 400 м над уровнем моря) на поверхности, перпендикулярной излучению: 1 мая 12 ч. 00 мин. – 1080 Вт/м2; 21 декабря 12 ч. 00 мин. – 930 Вт/м2 [4].
Для упрощения вычисления по приходу солнечной энергии
его обычно выражают в часах солнечного сияния с интенсивностью 1000 Вт/м2. То есть 1 час соответствует приходу солнечной радиации в 1000 Вт∙ч/м2. Это примерно соответствует периоду, когда солнце светит летом в середине солнечного безоблачного дня на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. Иррадиация меняется в течение дня и от места к месту, особенно в горных районах. Она меняется в среднем от 1000 кВт∙ч/м2 в год для северо-европейских стран до 2000-2500 кВт∙ч/м2 в год для пустынь. Погодные условия и склонение солнца (которое зависит от широты местности) также приводят к различиям в приходе солнечной радиации.
Пример 1.2. Яркое солнце светит с интенсивностью 1000 Вт/м2 на поверхность, перпендикулярную солнечным лучам. За 1 час на 1 м2 падает 1 кВт∙ч энергии. Аналогично, средний приход солнечной радиации в 5 кВт∙ч/м2 в течение дня соответствует 5 пиковым часам солнечного сияния в день. Не путайте пиковые часы с реальной длительностью светового дня. За световой день солнце светит с разной интенсивностью, но в сумме дает такое же количество энергии, как если бы оно светило 5 часов с максимальной интенсивностью. Именно пиковые часы солнечного сияния используются в расчетах солнечных энергетических установок.

1.2. Фотоэлектрический эффект


Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) был открыт французским ученым А.Э. Беккерелем в 1839 году и основан на способности токопроводящих материалов испускать электроны под действием электромагнитного излучения, в том числе и света.
Три основных закона фотоэффекта можно сформулировать следующим образом [3]:
1) Сила фототока прямо пропорциональна плотности электромагнитного излучения (закон Столетова).
2) Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом
электронов линейно возрастает с частотой электромагнитного излучения и не зависит от его интенсивности.
3) Для каждого вещества при определенном состоянии его
поверхности существует граничная частота электромагнитного
излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называются красной границей
фотоэффекта.
Фотоэффект проявляется в фотоэлектрической системе, напрямую преобразующей солнечную энергию в электричество. Для работы фотоэлектрической системы необходим дневной свет. Фотоэлектрические системы не должны обязательно находиться под прямыми солнечными лучами, так что даже в пасмурные дни фотоэлектрические панели могут вырабатывать некоторое количество электроэнергии.
Простейшая конструкция фотоэлектрического или солнечного
элемента (СЭ) – прибора для преобразования энергии солнечного
излучения – на основе монокристаллического кремния показана
на рис. 1.4.
На малой глубине от поверхности кремниевой пластины p-типа сформирован p–n-переход с тонким металлическим контактом;


Рис. 1.4. Конструкция фотоэлектрического элемента

на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический
контакт.
Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки Rн. Рассмотрим сначала два крайних случая: Rн=0 (режим короткого замыкания) и Rн = ∞ (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены на рис. 1.5а, б [3].
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, вызванный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объемного заряда, увлекаются электрическим полем p–n-перехода и попадают в n-область.


Рис. 1.5. Зонные энергетические диаграммы p–n-перехода при освещении в разных режимах:
а – короткого замыкания; б – холостого хода; в – включения на сопротивление нагрузки

Остальные электроны диффундируют к p–n-переходу, стараясь восполнить их убыль, и в итоге также попадают в n-область.
В n-области возникает направленное движение электронов к
тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю
цепь и в контакт с p-областью. На границе контакта с p-областью
происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фотогенерированными дырками.
При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода (рис. 1.5б) фотоэлектроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают её отрицательно. Оставшиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода
(Uхх), полярность которого соответствует прямому смещению
p–n-перехода.
Поток генерированных светом носителей образует фототок
(Iф). Величина его равна числу фотогенерированных носителей,
прошедших через p–n-переход в единицу времени. При нулевых

внутренних омических потерях в солнечном элементе режим короткого замыкания (рис. 1.5а) эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания
(Iкз) равен фототоку (Iф). В режиме холостого хода (рис. 1.5б) фототок уравновешивается «темновым» током (Iт) – прямым током
через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения
(Uхх). «Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных носителей тока (в данном случае электронов в p-области).
При рекомбинациях потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделяется либо излучением фотонов с hv≈Eg, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки (рис. 1.5б). Таким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных
диодов в пропускном направлении.
Если к p–n-переходу подключить варьируемое сопротивление
нагрузки (рис. 1.5в), то направление тока в ней всегда совпадает с
направлением фототока (Iф), а сам ток нагрузки (Iн) равен результирующему току через p–n-переход. Нагрузочную вольтамперную характеристику (ВАХ) освещенного p–n-перехода
(рис. 1.6) можно записать как [3]:

1.1

где Uн – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n переходе, В; Iн – ток нагрузки, А; I0 – ток насыщения, А; Iф – фототок, А; k – постоянная Больцмана, 1,38∙10-23 Дж/К; T – абсолютная температура, К; q – величина заряда электрона.
Максимальная мощность отбирается в том случае, когда солнечный элемент находится в режиме, отмеченном точкой а на рис. 1.6

рис 1.6
Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с единицы площади солнечного элемента, вычисляется по формуле [3]:
Pmax = Uтмм ∙ Iтмм = FF ∙ Iкз ∙ Uхх, (1.2)
где Uтмм – напряжение в точке максимальной мощности (точка а,
рис. 1.6), В; Iтмм – ток в точке максимальной мощности (точка а,
рис. 1.6), А; FF – коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики; Iкз – ток короткого замыкания, А; Uхх – напряжение холостого хода, В.

Характеристики солнечного элемента
• Напряжение холостого хода – это максимальное напряжение, создаваемое солнечным элементом, возникающее при нулевом токе (рис. 1.7). Оно равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения p–n-перехода при появлении светового тока. Напряжение холостого хода обычно обозначается Uхх или Voc . Напряжение холостого хода монокристаллических солнечных элементов высокого качества достигает 730 мВ при условии АМ1.5. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне 600 мВ. Напряжение холостого хода солнечного элемента мало меняется при изменении освещенности.

рис 1.7
Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и напряжение холостого хода

• Ток короткого замыкания – это ток, протекающий через
солнечный элемент, когда напряжение равно нулю (то есть когда
солнечный элемент замкнут накоротко) (рис. 1.8). Ток короткого
замыкания обычно обозначается Iкз или Isc .

Он возникает в результате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном солнечном элементе при условии умеренных резистивных потерь он равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать солнечный элемент. Кроме того, он прямо
пропорционально зависит от интенсивности света.

• На практике солнечный элемент работает при комбинации
тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность.
Лучшее их сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ), соответствующие напряжение и ток обозначаются Uтмм и Iтмм

• Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики
(ВАХ) солнечного элемента (fill factor, FF). Ток короткого замы

кания и напряжение холостого хода – это максимальные ток и
напряжение, которые можно получить от солнечного элемента.
Однако, при напряжении холостого хода и токе короткого замыкания мощность солнечного элемента равна 0.

рис 1.8 Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и ток короткого замыкания

Коэффициент заполнения – параметр, который в сочетании с
напряжением холостого хода и током короткого замыкания определяет максимальную мощность солнечного элемента. Он вычисляется, как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания:

1.3

где Uтмм

– напряжение в точке максимальной мощности (ТММ),
В; Iтмм – ток в ТММ, А; Uхх – напряжение холостого хода, В; Iкз – ток короткого замыкания, А.

Графически коэффициент заполнения представляет собой меру квадратичности солнечного элемента и равен максимальной площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную кривую (рис. 1.9).

рис 1.9 коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента

Так как коэффициент заполнения является мерой квадратичности вольт-амперной кривой, солнечный элемент с более высоким напряжением будет иметь и более высокий возможный коэффициент заполнения, поскольку закругленная часть кривой занимает меньше места.
Коэффициент заполнения ВАХ является одним из основных
параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ более 0,7. Бракованные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ от 0,4 до 0,65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ 0,4–0,7. Чем больше коэффициент заполнения ВАХ, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления. График на рисунке 1.10 иллюстрирует ВАХ элементов c раз личным коэффициентом заполнения. Как видно, обе кривые
имеют одинаковые значения тока короткого замыкания и напряжения холостого хода, однако элемент c меньшим коэффициентом заполнения ВАХ (нижний график) вырабатывает меньше мощности в ТММ.

рис 1.10 Вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечных элементов c различным коэффициентом заполнения

При изготовлении каждый солнечный элемент тестируется и
при этом измеряется его ВАХ и коэффициент заполнения. Если
последний меньше 0,7, то элемент классифицируется как Grade B
и продается производителям супердешевых панелей, которые
должны уведомлять покупателей о низком качестве элементов.
• Коэффициент полезного действия (КПД) является самым
распространенным параметром, по которому можно сравнить
производительность двух солнечных элементов. Он определяется
как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элементом, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме собственно производительности солнечного элемента, КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излучения и температуры солнечного элемента. Поэтому для сравнения двух солнечных элементов нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. КПД солнечного элемента определяется как часть падающей энергии, преобразованной в электричество [3]:

1.4

где PMAX– максимальная мощность солнечного элемента, Вт
(формула (1.2)); PПАД – мощность падающего солнечного излучения, Вт.

%d такие блоггеры, как: