Физический принцип работы солнечных батарей

Солнечные элементы

Многие из нас не подозревают, что способ получения электроэнергии из солнечного света известен около 130 лет. Явление фотоэффекта впервые наблюдал Эдмон Беккерель в 1839г. Это случайное открытие оставалось незамеченным вполоть до 1873г., когда Уиллоуби Смит обнаружил подобный эффект при облучении светом селеновой пластины. И хотя его первые опыты были далеко несовершенны, они знаменовали собой начало истории полупроводниковых солнечных элементов. В поисках новых источников энергии в лаборатории Белла был изобретен кремниевый солнечный элемент, который стал предшественником современных солнечных фотопреобразователей. Лишь в начале 50-х годов 20-го века солнечный элемент достиг относительно высокой степени совершенства.

Преобразование энергии в солнечных элементах (ФЭП) основано на фотовольтаическом эффекте в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Использовать энергию солнечных элементов можно также как и энергию других источников питания, с той разницей, что солнечные элементы не боятся короткого замыкания. Каждый из них предназначен для поддержания определенной силы тока при заданном напряжении. Но в отличии от других источников тока характеристики солнечного элемента зависят от количества падающего на его поверхность света. Например, набежавшее облако может снизить выходную мощность более чем на 50%. Кроме того отклонения в технологических режимах влекут за собой разброс выходных параметров элементов одной партии. Следовательно, желание обеспечить максимальную отдачу от фотоэлектрических преобразователей приводит к необходимости сортировки элементов по выходному току. В качестве наглядного примера “вшивой овцы портящей все стадо” можно привести следующий: в разрыв водопроводной трубы большого диаметра врезать участок трубы с гораздо меньшим диаметром, в результате водоток резко сократится. Нечто аналогичное происходит и в цепочке из неоднородных по выходным параметрам солнечных элементов.

Кремниевые солнечные элементы являются нелинейными устройствами и их поведение нельзя описать простой формулой типа закона Ома. Вместо нее для объяснения характеристик элемента можно пользоваться семейством простых для понимания кривых - вольтамперных характеристик (ВАХ)

Напряжение холостого хода, генерируемое одним элементом, слегка изменяется при переходе от одного элемента к другому в одной партии и от одной фирмы изготовителя к другой и составляет около 0.6 В. Эта величина не зависит от размеров элемента. По иному обстоит дело с током. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь его поверхности.

Элемент размером 100*100 мм в 100 раз превосходит элемент размером 10*10 мм и, следовательно, он при той же освещенности выдаст ток в 100 раз больший.

Нагружая элемент, можно построить график зависимости выходной мощности от напряжения, получив нечто подобное изображенному на рис.2

Пиковая мощность соответствует напряжению около 0,47 В. Таким образом, чтобы правильно оценить качество солнечного элемента, а также ради сравнения элементов между собой в одинаковых условиях, необходимо нагрузить его так, чтобы выходное напряжение равнялось 0,47 В. После того, как солнечные элементы подобраны для работы, необходимо их спаять. Серийные элементы снабжены токосъемными сетками, которые предназначены для припайки к ним проводников.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки, получив так называемое последовательно-параллельное соединение.

Важным моментом работы солнечных элементов является их температурный режим. При нагреве элемента на один градус свыше 25^оС он теряет в напряжении 0,002 В, т.е. 0,4 %/градус. На рис.3 приведено семейство кривых ВАХ для температур 25^о С и 60^о С.

В яркий солнечный день элементы нагреваются до 60-70^оС теряя 0,07-0,09 В каждый. Это и является основной причиной снижения КПД солнечных элементов, приводя к падению напряжения, генерируемого элементом.

КПД обычного солнечного элемента в настоящее время колеблется в пределах 10-16 %. Это значит, что элемент размером 100*100 мм при стандартных условиях может генерировать 1-1,6 Вт.

Стандартными условиями для паспортизации элементов во всем мире признаются следующие :

-освещенность 1000 Вт/м²

-температура 25^оС

-спектр АМ 1,5 (солнечный спектр на широте 45^о)

Физический принцип работы солнечных батарей

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотовольтом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при влиянии на них солнечного излучения. Природа этого явления. Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника разными примесями (создание p-n-переходов) ли путем соединения разных полупроводников с неодинаковой шириной запрещенной зоны - энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов ), или же за счет изменения химического состава полупроводника, который приводит к появлению градиента ширины запрещенной зоны (создание варизоных структур). Возможны также разные комбинации перечисленных способов. Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП, среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость, обусловленная явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Принцип работы ФЭП можно объяснить на примере преобразователей с p-n-переходом, которые широко применяются в современной солнечной и космической энергетике. Электронно-дырочный переход создается путем легирования пластинки монокристаллического полупроводникового материала с определенным типом проводимости (то есть p- или n- типа) примесью, которая обеспечивает создание поверхностного пласта с проводимостью противоположного типа. Концентрация легирующей примеси в этом пласте 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. На границе n- и p- слоев в результате перетока зарядов образуются обедненные зоны с нескомпенсированным объемным положительным зарядом в n-пласте и объемным отрицательным зарядом в p-пласте. Эти зоны в совокупности и образуют p-n-переход.

Возникший на переходе потенциальный барьер (контактная разность потенциалов) препятствует прохождению основных носителей заряда, то есть электронов со стороны p-пласта, но беспрепятственно пропускает неосновные носители в противоположных направлениях. Это свойство p-n-переходов и определяет возможность получения фото-ЭДС при облучении ФЭП солнечным светом.

Фотогальванический режим. Фотодиод не имеет какого-либо внешнего источника питания, он работает как преобразователь энергии и эквивалентен генератору, характеризующемуся либо напряжением холостого хода, либо током короткого замыкания.

Напряжение холостого хода V_xx. Увеличение тока I_p неос­новных носителей под действием падающего потока вызывает перенос заряда, что понижает потенциальный барьер на ΔV_b.. Это понижение приводит к увеличению тока неосновных носите­лей и поддерживает равенство основных и неосновных носите­лей таким образом, что обратный ток диода I_r = 0, т. е.

(1)

откуда следует

(2)

где

I₀ – ток насыщения неосновных носителей в отсутствие освещения.

Понижение потенциального барьера на ΔV_b можно измерить на выводах фотодиода в разомкнутой цепи (на холостом ходу):

(3)

При очень малой облученности

и

Напряжение V_xx в этом случае мало (kT/q=26 мВ при

Т = 300K) и представляет собой линейную функцию принимаемого фотодиодом потока.

При больших значениях облученности

и

Рис. 4. Зависимость напряжения холостого хода от падающего потока (фотодиод типа FPT 102 в фотогальваническом режиме, данные Fairchild)     Рис. 5. I—измерение на холостом ходу (Rm велико); II— измерение в режиме короткого» замыкания (Rm мало).

Напряжение V_xx в этом случае существенно выше (от 0,1 до 0,6 В), но оно является логарифмической функцией воспри­нимаемого потока (рис. 4).

Напряжение V_xx обычно измеряют в схеме, в которой сопро­тивление нагрузки R_m намного больше сопротивления r_d.

Рис. 6. Зависимость тока корот­кого замыкания от падающего по­тока (фотодиод типа FPT 102 в фотогальваническом режиме, данные Fairchild).

Прямая нагрузка на гра­фике характеристик фотодио­да, относящемся к фотогаль­ваническому режиму (рис. 5), описывается уравне­нием

R_mI_r=υ_d (4)

а рабочая точка Q есть пере­сечение нагрузочной характе­ристики Δ и характеристики фотодиода для данного пада­ющего потока; эта точка тем ближе к оси υ_d чем больше сопротивление R_m.

Ток короткого замыкания I_кз- Если к выводам фотодиода присоединить нагрузку R_m малую по сравнению с r_d, то про­текающий через R_m ток практически равен I_p — току коротко­го замыкания; этот ток пропорционален падающему потоку (рис. 6).

Рабочая точка Q определяется так же, как и в предыдущем случае; она оказывается тем ближе к оси I_r, чем меньше R_m.

Важной особенностью этого режима работы является отсут­ствие темнового тока; действительно, без внешнего источника питания в темноте через диод ток не протекает, при этом сни­жается дробовой шум и можно измерять очень слабые потоки.

Описанные выше характеристики работы фотодиода на двух различных режимах сведены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики фотодиода

Излучение	Фотодиодный режим (источник пи­тания обеспечивает обрат­ное смещение)	Фотогальванический (источник питания отсутствует)
Малый поток	Ir=I0+Ip
Большой поток	Ir=Ip

Созданные светом в обоих пластах ФЭП неравновесные носители заряда (электронно-дырочные пары) разделяются на p-n-переходе: неосновные носители (то есть 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, которые именно и нужны для работы ФЭП. Если теперь запереть внешнюю цепь, то электроны из n-пласта, сделав работу на нагрузке, будут возвращаться в p-пласты и там рекомбинировать (объединяться) с дырками, которые двигаются внутри ФЭП в противоположном направлении.

Для сбора и отвода электронов во внешнюю цепь на поверхности полупроводниковой структуры ФЭП есть контактная система. На передней, освещенной поверхности преобразователя контакты выполняются в виде сетки или гребня, а на тыльной могут быть сплошными.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нем,
• рассеянием на тепловых колебаниях кристаллической решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией фотопар, которые образовались на поверхностях и в объеме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• некоторыми другими физическими процессами.

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

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещенной зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путем ее оптимального легирования и создание встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового пласта, частоты контактной сетки и т.п.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, которые обеспечивают просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за пределом основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из полупроводников, специально подобранных по ширине запрещенной зоны, которые разрешают в каждом каскаде превращать излучение, которое прошло через предшествующий каскад, и др.

Также значительного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счет создания преобразователей с двусторонней чувствительностью (к +80% к уже имеющегося КПД одной стороны), применение люминесцентно переизлучаемых структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или больше спектральных области с помощью многослойных пленочных светоделителей (дихроических зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т.п.

В системах преобразования энергии солнечных электростанций (СЭС) в принципе могут быть использованы любые уже созданные и разрабатываемые в данное время типы ФЭП разной структуры на базе разнообразных полупроводниковых материалов, однако не все они отвечают комплексу требований к этим системам:

• высокая надежность при продолжительному (десятки лет!) ресурсе работы;
• доступность исходных материалов в достаточный для изготовления элементов системы преобразования количества и возможность организации их массового производства;
• приемлемые с точки зрения термина окупаемости энергозатраты на создание системы преобразование;
• минимальные затраты энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (СЭС в космосе), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Так, например, некоторые перспективные материалы тяжело получить в необходимой для создания СЭС количества через ограниченность естественных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например, за счет создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.п.

Высокая производительность может быть достигнутая лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой области промышленности, сопоставимой по масштабу с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборник солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля батареи в 2-2,5 раза. Как наиболее возможные материалы для фотоэлектрических систем преобразования солнечной энергии СЭС в данное время рассматривается кремний и арсенид галлия (GaAs), причем в последнем случае речь идет о гетерофотопреобразователе (ГФП) со структурой AlGaAs-GaAs.

• Гетероструктурные СЭ на основе GaAs имеют более высокий КПД , чем кремниевые (монокристаллические и особенно - аморфного кремния). КПД арсенид-галлиевых солнечных батарей доходит до 35-40%. Их максимальная рабочая температура - до

• +150 ^оС, в отличии от + 70С - у кремниевых батарей.

• Их теоретический КПД выше, так как ширина запрещённой зоны у них практически совпадает с оптимальной шириной запрещённой зоны для полупроводниковых преобразователей солнечной энергии 1,4 эВ. У кремниевых этот показатель 1,1 эВ.

•

•

• Фотоны с энергией, меньшей Eg1, но большей Eg2, будут проходить через слой первого полупроводника, который играет роль оптического окна, и поглощается во втором полупроводнике. Носители, генерируемые излучением внутри обедненного слоя и в электронейтральном объеме полупроводника в пределах диффузионной длины от перехода, будут коллектироваться переходом подобно тому, как это имеет место в солнечных элементах с n–p - гомопереходами. Фотоны с энергией, большей Eg1, поглощаются в первом полупроводнике, и переход будет коллектировать носители, генерируемые этим излучением на расстоянии от перехода, не превышающем диффузионную длину, либо непосредственно в области пространственного заряда.

• Преимущества солнечных элементов с гетеропереходами перед обычными солнечными элементами с p - n-переходами состоят в следующем:

o 1) в увеличении спектрального отклика в коротковолновом диапазоне при условии, что энергия Eg1 достаточно велика и фотоны с высокой энергией поглощаются в обедненном слое второго полупроводника;

o 2) в понижении последовательного сопротивления при условии, что первый полупроводник можно сильно легировать, не ухудшая при этом условия прохождения света через него;

o 3) в высокой радиационной стойкости, если первый слой полупроводника достаточно толстый и полупроводник имеет широкую запрещенную зону.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: