Общие сведения. Лабораторная работа № 1. Изучение источника постоянного тока

Лабораторная работа № 1. Изучение источника постоянного тока

Цель работы:изучить функционирование фотоэлектрического приемника, снять вольт-амперную характеристику, определить характеристики фотоэлектрического преобразователя (ФЭП), оценить КПД элемента.

Общие сведения

В настоящее время применение известных и разработка новых экологи-

чески 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 полупроводниковые ФЭП солнечной энергии, в которых осуществляется прямой, одноступенчатый переход энергии. Достоинством этих устройств является безотходность технологии преобразования энергии и относительно простая конструкция.

К недостаткам ФЭП, прежде всего, следует отнести довольно низкие (в диапазоне 0,5 — 28 %) значения коэффициента полезного действия и высокую стоимость получаемой энергии. В настоящее время интенсивно развивается ряд направлений научных и технологических исследований, нацеленных на улучшение этих показателей ФЭП. Наиболее значимые результаты надеются получить от использования в качестве основы ФЭП аморфных полупроводниковых материалов и так называемых “тандемных” конструкций преобразователей солнечной энергии. Среди аморфных полупроводников наиболее перспективным для создания ФЭП считают гидрогенизированный аморфный кремний (a-Si:H) и сплавы на его основе. Для повышения эффективности преобразования солнечной энергии представляется привлекательным соединить в одном устройстве два (тандем) или более p-n переходов с тем, чтобы каждый из них работал с высокой эффективностью в ограниченном спектральном диапазоне.

Принцип работы ФЭП (рисунок 1)можно пояснить на примере преобразователей с p-n- переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создаётся путём легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определённым типом проводимости (т.е. или p- или n- типа) примесью, обеспечивающей создание поверхностного слоя с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом слое должна быть значительно выше, чем концентрация примеси в базовом (первоначальном монокристалле) материале, чтобы нейтрализовать имеющиеся там основные свободные носители заряда и создать проводимость противоположного знака. У границы n-и p- слоёв в результате перетечки зарядов образуются обеднённые зоны с нескомпенсированным объёмным положительным зарядом в n-слое и объёмным отрицательным зарядом в p-слое. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

1- внешний электрод (-); 2 - защитное антибликовое покрытие; 3 - кремниевый n-слой; 4 - кремниевый p-слой; 5 - внутренний электрод (+)

Рисунок 1 – Принцип действия ФЭП

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, т.е. электронов со стороны p-слоя, но беспрепятственно пропускают неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом. Созданные светом в обоих слоях ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары ) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (т.е.электроны) свободно проходят через переход , а основные (дырки) задерживаются. Таким образом, под действием солнечного излучения через p-n-переход в обоих направлениях будет протекать ток неравновесных неосновных носителей заряда- фотоэлектронов и фотодырок, что как раз и нужно для работы ФЭП. Если теперь замкнуть внешнюю цепь, то электроны из n-слоя, совершив работу на нагрузке, будут возвращаться в p-слой и там рекомбинировать(объединяться) с дырками, движущимися внутри ФЭП в противоположном направлении. Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП имеется контактная система. На передней освещённой поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребёнки, а на тыльной могут быть сплошными.

Генерацию электронно-дырочной пары вызывает излучение, чья энергия достаточна, чтобы разрушить связь электрона с ядром атома. Поэтому не все полупроводники являются чувствительными к солнечному излучению. По своему строению наиболее подходящими являются Si, GaAs, CdTe.

Характеристиками солнечного элемента являются ток короткого замыкания, напряжение холостого хода, максимальная мощность и коэффициент полезного действия (КПД). Напряжение холостого хода U_хх - напряжение между р- n- областями элемента, отсоединенного от внешней электрической цепи в основном определяется электрофизическими параметрами и степенью легирования материала, на основе которого изготовлен ФЭП. Ток короткого замыкания I_кз определяется при коротком замыкании между металлизированными контактами к p- и n- областям ФЭП. Величина I_кз зависит не только от электрофизических параметров прибора, но и от его площади, поэтому часто вместо I_кз используют другую характеристику – плотность тока короткого замыкания J_кз, которая равна отношению I_кз на площадь освещаемой поверхности элемента. Из-за резкой зависимости коэффициента поглощения полупроводника от энергии излучения измеряемые в эксперименте значения U_хх и I_кз будут в большой степени зависеть от спектрального состава оптического излучения. КПД показывает какая часть мощности падающего светового потока приведет к появлению электрической мощности на нагрузке.

На рисунке 2 показана типичная вольт-амперная характеристика ФЭП. Значения U_н и I_н – это напряжение и ток в нагрузочной цепи при режиме работы ФЭП, соответствующему максимальной выделяемой мощности на сопротивлении нагрузки.

Рисунок 2 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) ФЭП

Максимально выделяемая мощность равна площади прямоугольника, стороны которого определяются значениями U_н и I_н. Важным параметром ФЭП является коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики ξ, определяемый отношением площади под световой вольт-амперной характеристикой элемента в первом квадранте системы координат на рисунке к площади прямоугольника со сторонами U_н и I_н. У современных солнечных элементов значения этого параметра находятся в пределах 0,75-0,8.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

- отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,

- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,

- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

- рекомбинацией образовавшихся фото-пар на поверхностях и в объёме ФЭП,

- внутренним сопротивлением преобразователя и некоторыми другими

физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

- использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

- направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

- переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

- оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

- применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;

- разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

- создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.