Полупроводниковые фотоэлементы(солнечные батареи)

Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в фотоэлектрических преобразователях основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры фотоэлектрических преобразователей может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств фотоэлектрических преобразователей, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в фотоэлектрических преобразователях связаны с:

-отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,

-прохождением части излучения через фотоэлектрический преобразователь без поглощения в нём,

-рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,

-рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме фотоэлектрических преобразователей,

-внутренним сопротивлением преобразователя,

Тепловые приёмники оптического излучения реагируют на энергию, поглощённую чувствительным приёмным элементом. Поглощённая энергия приводит к нагреванию чувствительного элемента и повышению его температуры, которая может быть измерена непосредственно. Возможна регистрация и вызванных нагревом изменений каких-либо других физических параметров вещества этого чувствительного элемента, например электропроводности, давления газа и т. п. Современные тепловые приёмники позволяют обнаруживать повышение температуры термочувствительного элемента при его облучении на 10^(-6)-10^(-7)К и измерять мощности ~10^(-11) Вт.

Термоэлементы (термопары) –приёмники оптического излучения, основанные на термоЭДС, эффекте Зеебека - возникновении ЭДС в контуре из различных материалов, спаи которых имеют неодинаковую температуру. На один из спаев контура направляется измеряемое излучение, что приводит к повышению температуры этого спая по сравнению с темп-рой другого (холодного) спая. Возникающая при этом ЭДС служит мерой измеряемого потока излучения.

Применение термопар для измерения температуры различных типов объектов и сред, а так же в автоматизированных системах управления и контроля.

Преимущества термопар

-Большой температурный диапазон измерения: от -200 °С до 1800—2200 °С

-Простота

-Дешевизна

-Надежность

Недостатки

-Точность более 1 °С трудно достижима, необходимо использовать термометры сопротивления или термисторы.

-На показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку.В современных конструкциях измерителей на основе термопар используется измерение температуры блока холодных спаев с помощью встроенного термистора или полупроводникового сенсора и автоматическое введение поправки к измеренной ТЭДС.

-Эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т.к. ток, протекающий через неё, охлаждает горячий спай и разогревает холодный

-зависимость ТЭДС от температуры существенно не линейна. Это создает трудности при разработке вторичных преобразователей сигнала.

-возникновение термоэлектрической неоднородности в результате резких перепадов температур, механических напряжений, коррозии и химических процессов в проводниках приводит к изменению градуировочной характеристики и погрешностям до 5 К.

-на большой длине термопарных и удлинительных проводов может возникать эффект «антенны» для существующих электромагнитных полей.

Болометры - приёмники, действие которых основано на изменении некоторых физических параметров чувствительного элемента при его нагревании вследствие поглощения потока излучения. Наибольшее распространение получили болометры сопротивления, основанные на зависимости электрического сопротивления металлических и полупроводниковых материалов от температуры. Термочувствительный элемент болометра представляет собой тонкий слой металла, поверхность которого покрывается слоем черни, имеющей большой коэффициент поглощения в широкой области длин волн. Полупроводниковые болометры (термисторы) изготовляются из Ge и Si, a также из окислов Ni, Mn, Co. Сверхпроводящие болометры работают при глубоком охлаждении (3-15 К). Они основаны на использовании резкого изменения электрического сопротивления металла в области перехода его от нормального состояния к сверхпроводящему. Для уменьшения влияния тепловых помех современные болометры делают компенсационного типа, когда в два плеча мостовой схемы включены одинаковые термочувствительные элементы. Излучение направляется на один элемент, а другой служит для компенсации изменения температуры окружающей среды и радиационных помех. Для уменьшения порога чувствительности площадь болометрические полоски делается небольшой, а для уменьшения постоянной времени - очень тонкой. Из-за своей малой толщины пластинка под действием излучения быстро нагревается и её сопротивление повышается. Для измерения малых отклонений сопротивления пластинки её включают в мостовую схему, которую балансируют в отсутствие засветки.

Болометр чувствителен ко всему спектру излучения. Но применяют его в основном в астрономии для регистрации излучения с субмиллиметровой длиной волны (промежуточное между СВЧ и инфракрасным): для этого диапазона болометр — самый чувствительный датчик. Источником теплового излучения может быть свет звезд или Солнца, прошедший через спектрометр и разложенный на тысячи спектральных линий, энергия в каждой из которых очень мала.

Пироэлектрические приемники оптического излучения- приборы, в основу которых положен пироэлектрический эффект кристаллов. Его сущность заключается в изменении поляризации пироактивного кристалла в процессе изменения температуры на его гранях. Пироэлектрический эффект проявляется только при наличии изменения температуры кристалла во времени, т.е. при регистрации модулированного или импульсного излучения.

Пироэлектрические приемники реагируют на изменения температуры, а значит и на изменения освещенности чувствительного слоя. Чтобы пироэлектрический приемник среагировал, достаточно разности температуры между объектом и окружающей средой в 5 ºС.

Чувствительным элементом датчика, преобразующего тепловое излучение в заряд является пироэлектрический элемент. Пироэлектрический приемник является пассивным приемником ИК излучения, он не нуждается в искусственном источнике излучения подсветки. Почти все пироэлектрические приемники, встречающиеся в продаже, имеют встроенный усилитель сигнала датчика.

Датчик с пироэлектрическими приемниками используются в системах сигнализации, автоматическом включении освещения, открытия дверей, кранов, включения сушилок для рук, наблюдения за животными и т.д.

Пироэлектрические приемники способны работать в широком спектральном диапазоне излучения: от ультрафиолетового до волн длиной 0,3 мм. Наиболее часто в датчиках используется оптический диапазон 6-16 мкм.

Спектр рабочих длин волн ограничивается путем установки оптического фильтра перед пироэлектрическим приемником, который ведет себя как конденсатор, заряжающийся менее чем на 1 мВ при изменении температуры чувствительного слоя под воздействием падающего излучения. Поскольку необходимо, чтоб эти изменения происходили как можно быстрее, чувствительные элементы изготавливают в виде очень тонких пластинок или пленок. Тем не менее требуется несколько десятых долей секунды для того, чтобы выходное напряжение приемника достигло максимального значения после изменения температуры. В действительности напряжение конденсатора никогда не достигает теоретического максимума, так как конденсатор разряжается из-за проводимости своего диэлектрика. Таким образом, изменение температуры запоминается лишь на несколько секунд.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: