Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Факультет электронно-информационных систем
кафедра ЭВМ и С
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 5
ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙ
Разработал:
доцент кафедры ЭВМиС Буслюк В.В,
Тарасенко В.Е.
г. Брест
2006г.
1.1. Цель работы.
Целью работы является изучение физических явлений, протекающих в полупроводниковых солнечных элементах на р-п переходах.
1.2. Подготовка и задание к работе.
- изучить методические указания к лабораторной работе, обратив внимание на физику фотовольтаических процессов, эффективность преобразования солнечного излучения, электрические параметры, особенности реальных солнечных элементов, а также на вид вольтамперных зависимостей солнечных элементов.
- ознакомиться с работой установки для измерений ВАХ;
- снять семейство вольтамперных характеристик солнечной батареи при различных освещённостях и определить КПД;
- определить основные параметры солнечной батареи.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУ РАБОТЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Солнечный элемент на основе кремния изготавливают методом диффузии бора из газовой среды в монокристалл кремния с электропроводностью п- типа либо путём диффузии фосфора или сурьмы в кремний р-типа. Вследствие чего на границе р- и п-областей образуется р-п-переход.
В результате поглощения фотонов с энергией, большей, чем ширина запрещенной зоны, в п-базе возникают электронно-дырочные пары (фотоносители). Фотоносители диффундируют в глубь п-области. Ширина п-области такова, что основная доля созданных излучением фотоносителей не успевает рекомбинировать в п-области и доходит до границы р-п перехода. Электроны и дырки разделяются электрическим полем р-п перехода напряжённостью Е, при этом дырки переходят в р-область, а электроны не могут преодолеть поле перехода и скапливаются у границы р-п перехода в п-области. Таким образом, ток фотоносителей через р-п переход обусловлен дрейфом неосновных носителей – дырок.
Кроме составляющей фото-ЭДС, которая возникает из-за разделения носителей заряда полем р-п перехода или другого потенциального барьера и которая является основной, могут быть и другие составляющие. Одна из них-- составляющая, которая называется фото-ЭДС Дембера. Она связана с различием коэффициентов диффузии электронов и дырок. Поэтому при диффузии из мест генерации электроны опережают дырки, происходит некоторое разделение зарядов – поверхность полупроводника приобретает положительный заряд по отношению к объёму. Возникает дополнительная составляющая фото-ЭДС.
2.2. Характеристики и параметры фотоэлектропреобразователей (ФЭП)
Фотогальванический режим работы фотодиода характеризуется отсутствием источника внешнего напряжения в цепи фотодиода, т. е. фотодиод работает генератором фото-ЭДС ФЭП. При этом выражение для тока фотодиода можно получить из схемы замещения фотодиода в фотогальваническом режиме (рис.1):
I = U / R = I - I = I ( Ф ) – I (exp( U/ U )-1),
где I – фототок;
R – сопротивление нагрузки;
I - ток р-п перехода;
U - напряжение на диоде;
I - тепловой ток;
U - температурный потенциал.
Это выражение представляет собой зависимость тока фотодиода от напряжения на фотодиоде при разных значениях потока излучения Ф, т.е. является уравнением семейства ВАХ фотодиода. Графики ВАХ приведены на рис. 2.
По точкам пересечения ВАХ с осью напряжения можно определить значения фото-ЭДС (напряжения холостого хода R =бесконечность) при разных потоках Ф. У кремниевых ФЭП значение фото-ЭДС равно 0,5-0,55В. Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствует значениям токов короткого замыкания (R =0 ). Промежуточные значения сопротивления нагрузки определяются линиями нагрузки, которые при разных значениях R выходят из начала координат под разным углом. При заданном значении тока по ВАХ фотодиода можно выбрать оптимальный режим работы ФЭП . Под оптимальным режимом в данном случае понимают выбор такого сопротивления нагрузки, при котором в R будет передаваться наибольшая электрическая мощность.
Оптимальному режиму соответствует для потока Ф1 линия нагрузки R1 (площадь заштрихованного прямоугольника с вершиной в точке А, где пересекаются линии Ф1 и R1, будет наибольшей). Для кремниевых фотодиодов при оптимальной нагрузке напряжение на фотодиоде (нагрузке) U = 0,35-0,4 В.
Энергетическая характеристика определяет связь тока I с потоком Ф падающим на поверхность фотодиода.
В общем случае поток излучения Ф – мощность излучения, приходящаяся на всю поверхность п-области полупроводника. Поэтому число фотонов, равно Ф /hv. Очевидно, что I пропорционален числу фотонов, поглощаемых в полупроводнике в единицу времени, т.е.
I = q n Ф / h v , где
п - внутренний квантовый выход, т.е. число электронно-дырочных пар, образуемых одним фотоном;
- коэффициент переноса, учитывающий долю непрорекомбинировавших в базе носителей заряда от общего количества носителей, возникающих под действием излучения.
В фотогальваническом режиме энергетические характеристики представляются зависимостями либо тока короткого замыкания I , либо фото-ЭДС Е = U от потока излучения . При больших потоках Ф закон изменения этих зависимостей существенно отличается от линейного (рис.3). Для функции
I = f (Ф ) появление нелинейности связано прежде всего с ростом падения напряжения на объёмном сосротивлении базы фотодиода. Снижение фото-ЭДС объясняется уменьшением высоты потенциального барьера при накоплении избыточного заряда электронов в п-области и дырок в р-области; как следствие этого процесс, поле р-п перехода хуже разделяет фотоносители и рост фото-ЭДС при увеличении излучения замедляется.
Спектральная характеристика. Из уравнения для фототока, воспользовавшись известным соотношением v = c / , можно получить зависимость чувствительности S от длины волны , т.е. спектральную характеристику.
S = I / Ф = g n / h c , где с - скорость света.
Отсюда следует , что спектральная характеристика, во-первых, линейна, во-вторых, проходит через начало координат (рис.4).
Реальная спектральная характеристика, изображённая на рис.4 пунктиром, отклоняется от выражения U = ln( I + I / I ).
Снижение чувствительности в области коротких волн связано с тем , что при уменьшении длины волны энергия излучения поглощается в тонком поверхностном слое, где скорость рекомбинации за счёт ловушек значительно больше, чем в глубине материала. Таким образом , коротковолновая граница чувствительности фотодиода зависит от толщины базы и от скорости поверхностной рекомбинации. Спад чувствительности в области длинных волн соответствует длинноволновой границе спектральной чувствительности материала.
Идеальная эффективность преобразования (к.п.д.) реализуется при оптимальном выборе параметров материала, когда величина I минимальна. Идеальная эффективность преобразования равна отношению максимальной выходной мощности к внешней мощности (мощности падающего излучения). В реальных солнечных элементах прямой ток может определяться рекомбинацией носителей в обеднённом слое. По этому к.п.д. ниже, чем в идеальном диоде.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
по выполнению заданий
1.1. Подготовить установку к измерениям. Снять семейство вольтамперных характеристик солнечной батареи при различных мощностях падающего излучения и комнатной температуре.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое фотодиод , ФЭП и солнечная батарея? Какие физические явления лежат в основе их работы?
УКАЗАНИЯ
по оформлению отчета
Отчет должен содержать: