Основные характеристики фотоэлементов

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Направление - 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника»
Институт – Энергетический

Кафедра – АТЭС

Отчет по лабораторной работе №1

«Исследование характеристик кремниевого фотоэлемента - солнечной батареи»

по дисциплине: «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

Выполнил студент гр.5Б4В

Балахнина Ю.Е.

____________

(Подпись)

Проверила доцент кафедры АТЭС

Матвеева А.А

____________

(Подпись)

Томск 2017

Введение

Лабораторная работа по исследованию работы кремниевого фотоэлемента - солнечной батареи выполняется студентами энергетических специальностей вуза и предназначена для закрепления теоретических знаний, полученных студентами при изучении курса «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии».

Общие сведения о солнечных батареях

Солнце – первопричина всей жизни на Земле и наш важнейший поставщик энергии. Оно – невероятный сгусток энергии. Энергия, излучаемая с поверхности Солнца и попадающая на земной шар, примерно в 10 000 раз превышает сегодняшнюю мировую потребность в энергии. Однако используемая доля исходящей от Солнца энергии сейчас еще очень мала. Максимальная мощность солнечного излучения составляет 1 000 Ватт на один квадратный метр земной поверхности.

Общая мощность излучения или так называемая глобальная радиация представляет собой сумму прямого и рассеянного излучения.

«Фотовольтаик» – специальный термин, обозначающий непосредственное преобразование солнечного излучения в электрический ток с помощью, так называемых солнечных батарей (фотогальванической установки).

В фотоэлектрических преобразователях солнечной энергии используется кремний с добавками других элементов, образующих структуру с р-n – переходом. Схема работы полупроводникового кремниевого фотоэлемента достаточно проста: в р – слое полупроводника создается «дырочная» (положительная) проводимость, а в n – слое – электронная (отрицательная). На границе слоев возникает потенциальный барьер, препятствующий перемещению носителей (электронов и «дырок») из одного слоя в другой (в таком стационарном состоянии ток не течет по всему полупроводнику). Когда же на фотоэлемент падает свет (поток фотонов), фотоны, поглощаясь, создают пары электрон – «дырка», которые, подходя к границе слоев, понижают потенциальный барьер, давая возможность носителям беспрепятственно проходить из слоя в слой. В полупроводнике возникает наведенная электродвижущая сила (ЭДС), и он становится источником электрического тока. Величина фото-ЭДС будет тем больше, чем интенсивнее световой поток.

Эффективность современных кремниевых (а также на основе арсенида галлия) фотоэлементов достаточно высока (их кпд достигает 10-12%), а чем выше кпд, тем меньше требуемая площадь солнечных батарей, которая даже в малой энергетике составляет десятки квадратных метров. Большим достижением полупроводниковой промышленности стала разработка кремниевых фотоэлементов, обладающих кпд до 40%. Последнее важное направление в развитии солнечной энергетики – создание более дешевых и удобных фотопреобразователей: ленточных поликристаллических кремниевых панелей, тонких пленок аморфного кремния, а также других полупроводниковых материалов. Самым высокоэффективным из них оказался алюминий–галлий–мышьяк, его промышленная разработка только начинается.

Основные характеристики фотоэлементов

Каждый фотоэлемент характеризуется рядом параметров и характеристик, определяющих не только его свойства, но и пределы его применимости в технике. К основным из них относятся: вольт-амперная, световая, частотная и спектральная чувствительность, КПД.

Нагрузочные вольтамперные характеристики выражают зависимость тока нагрузки от напряжения на фотоэлементе при включении его в различные нагрузочные сопротивления и постоянной освещенности . Эта зависимость согласно рассмотренной теории имеет вид (риc.1)

При точка, лежащая на оси токов, соответствует , т.к. при , , т.е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью токов дает значение _..

При точка, лежащая на оси напряжений, соответствует фото-ЭДС, т.к. при , , т.е. точка пересечения вольтамперной характеристики с осью напряжений дает значение фото-ЭДС.

Рисунок 1 - График зависимости

Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление , то в цепи установится ток , величина которого определяется качеством фотоэлемента, интенсивностью освещения и величиной этого сопротивления. Вольтамперные характеристики для нескольких значений освещенностей представляют собой ряд кривых, подобных кривой рис. 1, смещенных друг относительно друга.

Световые (интегральные) характеристики выражают зависимости фото-ЭДС, тока короткого замыкания I_кз и тока нагрузки от освещённости или светового потока: 1) U_к.з=f(E), 2)I_к.з.=f(E), 3)I_н=f(E). Зависимость тока I_кз(I_кз=I_ф) от освещённости в широких пределах освещённости линейна, а характеристики, выражающие зависимость тока нагрузки от освещённости, не линейны. Нелинейность между током во внешней цепи и освещённостью будет тем больше, чем больше нагрузочное сопротивление, что ограничивает применение фотоэлементов для некоторых фотометрических измерений.

Коэффициент полезного действия (КПД) – отношение мощности, выделяемой фотоэлементом на нагрузке, к падающему световому потоку

Значение КПД фотоэлемента определяется потерями энергии, зависящими от применяемых материалов и конструкции фотоэлемента, а также выбором режима работы фотоэлемента (сопротивлением нагрузки, освещенностью и температурой).

Потери энергии при преобразовании энергии излучения в электрическую энергию, выделяющуюся на нагрузке фотоэлемента, могут быть подразделены на световые и энергетические потери.

Световые потери – это, прежде всего, потери на отражение светового потока от поверхностного фотоэлемента, и зависящие от длины волны падающего света. Они определяются также фотоэлектрическим неактивным поглощением света: экситонным поглощением, образованием фотонов, поглощением с возбуждением внутри зонных переходов, поглощением доли светового потока, прошедшего на большую глубину, вдоль до нижнего металлического электрода.

Энергетические потери – потери количества возбужденных пар электронов и дырок или переносимой им энергии. Эти потери обусловлены рекомбинацией носителей, не прошедших до p-n – перехода, и зависят от конструкции фотоэлемента, толщины наружного слоя полупроводника и состояния его поверхности. Кроме того, если энергия квантов света значительно превышает ширину запрещенной зоны, то избыточная часть поглощенной энергии растрачивается на нагревание фотоэлемента.

Расчет показывает, что оптимальный КПД при использовании солнечного излучения можно получить, если применять полупроводник с шириной запрещенной зоны ΔΕ=1.5 эВ. При этом можно достичь теоретического КПД в 25%. Теоретический предел КПД для кремниевого фотоэлемента (ΔΕ=1.12 эВ) составляет 22-23%. Реальные кремниевые солнечные батареи имеют КПД около 13%. Энергия теряется на отражение от поверхности (20%), фотоэлектрически неактивное поглощение (10-20%), рекомбинацию созданных светом пар носителей (до 25%) и т.д.