Київський унiверситет iменi Шевченка
Радiофiзичний факультет
Кафедра напiвпровiдникової електронiки
Розрахунок вольт-амперної характеристики сонячного елемента при врахуваннi змiни поверхневої рекомбiнацiї з прикладеною напругою.
Квалiфiкацiйна робота бакалавра студентки 4 куру радiофiзичного факульту Олiйник Свiтлани Миколаївни
Науковий керiвник доцент кафедри напiвпровiдникової електронiки Кiльчицька С.С.
Рецензент
доцент Розсохатий В.К.
До захисту допускаю Зав. кафедрою
професор Третяк О.В.
КИЇВ 1999
Змiст.
Реферат.........................................................................................3
1. Вступ..........................................................................................4
2. Огляд лiтератури
2.1. Параметри сонячних елементiв...............................................6
2.2. Ефективнiсть сонячних елементiв...........................................13
2.3. Загальнi формули для обчисленняВАХ на р-п переходi...................15
3. Експерементальнi результати
3.1. Постановка задачi......................................................................17
3.2. Модель р-п переходу та методика розрахунку, що використовуємо................................................................................18
3.3. Результати та їх обговорення ............................................38
4. Висновки....................................................................................40
Список лiтератури............................................................................41
Реферат
Квалiфiкацiйна робота: 41 сторiнок;
24 малюнкiв;
Ключовi слова: p-n перехiд, вольт-амперна характеристика, швидкiсть поверхневої рекомбiнацiї, ефективнiсь сонячних елементiв.
У роботi проведенi розрахунки впливу на вольт-ампернi характеристики сонячних елементiв на основi p-n переходу з урахуванням залежностi швидкостi поверхневої рекомбiнацiї на тиловому та фронтальному контактах вiд напруги. Зроблено огляд лiтератури, де розкритi основнi характеристики сонячних елементiв, ефективнiсть сонячних елементiв.
Показано, що залежнiсть швидкостi поверхневої рекомбiнацiї вiд напруги призводить до залежностi вiд напруги насичення, що в свою чергу впливає на свiтловi та темновi вольт-ампернi характеристики сонячних елементiв.
1. ВСТУП.
Сонце вiдiграє виключно велику роль у нашому життi. Iснування людини повнiстю зумовлене сонцем. Майже всi джерела енергiї ,так чи iнакше залежать вiд енергiї сонця. Нафта, газ, вугiлля - це законсервована сонячна енергiя. Вiтер, хвилi, тепло морiв i океанiв, енергiя рiк-це теж результат дiяльностi сонця. За своєю фiзичною суттю сонце є величезним термоядерним реактором.Тому використання його енергiї-це використання термоядерної енергiї з реактором поза межами Землi.
Сонячне випромiнювання в зовнiшнiй простiр характерезується широким енергетичним спектром, що вiдповiдає випромiнюванню чорного тiла з температурою близько 5800К. Спектральний розподiл енергiї сонячного випромiнювання в одиничному iнтервалi довжин хвиль, досягаючого Землi. Максимум iнтенсивностi лежить в дiапазонi видимого свiтла. Майже половина сонячної енергiї випромiнюється в iнтервалi довжин хвиль 0,35-0,75мкм. Частина її зосереджена в ультрафiолетовiй i iнфрачервонiй областях спектра.
Навiть на такiй великiй вiдстанi на кожний квадратний метр атмосфери його припадає 1300 Вт. Однак до поверхнi Землi доходить тiльки частина цiєї енергiї - частина випромiнювання витрачається на створення озону, частина енергiї вiдбивається атмосферою чи хмарами, частина розсiюється. Iнтенсивнiсть сонячного випромiнювання, що падає на земну поверхню, як показано в роботi [1] залежить вiд двох факторiв: кута нахилу до площини поверхнi та довжини шляху променiв у атмосферi . Так наприклад, при висотi сонця 90о на поверхню падає 900Вт/м2 при 30-750Вт/м2 , а при 12-400 Вт/м2.
Доцiльнiсть використання сонячного випромiнювання визначається також загальною енергiєю, яку отримує поверхня даного району Землi за певний час.
Розвиток людського суспiльства характеризується дальшими бурхливим зростанням енергетичного споживання. Iснує єдиний спосiб подалання енергетичного кризису, якi наближається. Це масштабне використання поновлюваної енергiї, а саме сонячної. Найбагатшим джерелом поновлюваної енергiї є потiк сонячного випромiнювання.
Без шкоди для бiосфери, можна певно, вилучити близько третини усього потоку, що падає на Землю. При розташуваннi енергоустановок на сушi, вони займають близько десяти вiдсоткiв площи континентiв, що не повинно завдати шкоди рослинам, особливо при розмiщеннi установок в районах пустель, якi займають близько п'ятандцати вiдсоткiв поверхнi сушi. З урахуванням коефiцiента перетворення сонячної енергiї, який досягає наш час тридцять вiдсоткiв, перехопленнi три вiдсотка потоку досить дасть можливiсть дiстати енергiю потужнiстю 1 ТВт. Це в десять разiв перевищує потужнiсть сучасного виробництва непоновлювної енергiї, тобто дасть змогу в десять разiв перевищити її припустиму теплову межу.
У цьому зв'зку розвиток сонячної енергетики має здiйснюватись з урахуванням її впливу на природнє срердовище - на тепловий режим, склад та якiсть атмосфери, води, грунту i позпесередньо на людину. Тому розвиток енергетики в кiнцi XX - першої половини XXI столiття вiдбуватимеся в умовах переходу до якiсно нової структури свiтового енергетичного господарства, що грунтується на використаннi практично необмежених енергоресурсiв.
Сьогоднi можна зазначити цiлком очевиднi преваги сонячної енергетики перед традiцiйними джерелами, а саме: практично невичерпанiсть її, вiдсутнiсть забруднення навколишнього середовища, вiдсутнiсть видiлення вiдходiв i вiдсутнiсть необхiдностi в добуваннi.
Успiхи, досягнутi у вирiшеннi названих вище проблем, прогнози розвитку застосування нетрадицiйних джерел енергiї вказують на перспективнiсть цього напрямку й на те, що до кiнця XX столiттяза рахунок цих енергоресурсiв, можна буде забезпечитити значну частину енергетичних потреб людства.
2. Огляд лiтератури.
2.1. Параметри сонячних елементiв.
Для безпосереднього перетворення сонячного випромiнювання в електричну енергiю найчастiше використовується слiдуючi напiвпровiдниковi структури: р-n перехiд, гетероперехiд, МДН-структура та КМН. Енергетичнi дiаграми цих сполук зображенi на малюнку 1.
Мал. 1. Енергетичнi схеми напiвпровiдникових структур, що використовуються як СЕ: а - р-п-перехiд; б - гетероперехiд; в - МДН-структура; г - контакт метал-напiвпровiдник.
Принцип дiї сонячних елементiв на їх основї полягає в тому, що кванти сонячного свiтла з енергiєю, бiльшою нiж ширина забороненої зони напiвпровiдника, створюють пари носiїв струму: електрони в зонi провiдностi i дiрки у валентнiй зонi. Носiї, якi створенi в областi просторового заряду чи в о'бємi напiвпровiдника на вiдстанi, меньше чи рiвнiй дифузiйнiй довжинi, роздiляються внутрiшнiм полем. Це схематично зображено на малюнку 1.
Мал. 2. Вольт-амперна характеристика сонячного елементу i урахуванням послiдовного Rs та шунтуючого RSh опорiв: 1-RS(0, RSh((; 2-Rs(0, RSh((; 3-Rs=0, RSh((; 4 - RS=0, RSh=(.
На зовнiшних металевих електродах при цьому з'являється рiзниця потенцiалiв якщо ми маємо рiзноманiтне коло, або буде протiкати фотострум, якщо пiдключати якийсь певний опiр. ФотоЕРС зменьшує потенцiйний бар'єр в напiвпровiдниковiй структурi, що в свою чергу, приводить до виникнення встрiчннх потокiв електронiв та дiрок. Цi потоки еквiвалентнi потокам в структурах, змiщених в прямому напрямку зовнiшньою напругою. Коли потiк створених свiтлом надлишкових носiїв заряду зрiвняється з потоком носiїв заряду, обумовлених фотоЕРС. установиться стацiонарний стан. Це зображено пунктиром на малюнку 1.
Iдеалiзована еквiвалентна схема СЕ зображена на малюнку 3.
Мал. 3. Iдеалiзована та реальна еквiвалентнi схеми СЕ.
Паралельно потенцiйному бар'єру введено джерело постiйного струму IL, яке задає величину фотоструму. Струм I, який проходить по опору навантаження, як це бачимо з малюнку 3.. дорiвнює:
I=IK-IL (1.1)
де Iк - струм, який обумовлений змiною потенцiйного бар'єру в контактi при освiтленi. Звичайно цей струм дорiвнює темповому струму в напiвпровiдниковiй структурi при напрузi V.
В загальному випадку струм крiзь напiвпровiдникову структуру може бути записаний слiдуючим чином:
(1.2)
де е - заряд електрона, Т - температура, k, I, n - параметри вольтамперної характеристики р-n переходу, обумовленi механiзмами проходження струму та параметрами напiвпровiдникової структури. В загальному значення n i IS можуть залежити також вiд приложеної напруги, iнтенсивностi та спектрального складу випромiнювання.
Таким чином вольт-амперна характеристика (ВАХ) сонячного елемента при освiтленнi може бути записана у виглядi
(1.4)
Цей вираз обумовлює форму нагрузочної кривої при заданому значеннi IL. Загальний вигляд ВАХ СЕ для iдеального випадку вiдображен кривою 4 на мал.2. Значення струму короткого замикання легко отримати, якщо прийняти, що V=0. В результатi маємо IK =-IL. Знак мiнус означає, що струм в полi тече в ТОМУ же напрямку, що i при зовнiшнiй напрузi, яка вiдповiдає зворотньому змiщенню.
Значення V=Vхх можна отримати при I=0. В результатi маємо
(1.5)
З цих формул бачимо, що бiльшi Iкз вiдповiдають бiльшим значенням IL, а для отримання бiльших Vхх необхiднi бiльшi значення параметра n та вiдношення IL/IS , тобто бiльшi висоти потенцiйного бар'єру. Загальний вигляд ВАХ залежить також вiд величини n. Чим меньше n, тим в бiльшiй мiрi форма свiтової ВАХ наближається до прямокутної.
Для реального СЕ в еквiвалентнiй схемi слiдує також врахувати шунтуючий опiр RSh , влючений паралельно бар'єрному шару, та послiдовний опiр об'єму напiвпровiдника RS та контактiв (малюнок 3). В цьому випадку струм в опорi навантаження
I = IK - ISh - IL (1.6)
а вираз ВАХ приймає вигляд
(1.7)
Загальний вигляд ВАХ для рiзних значень RS, i RSh зображенi на мал.2. З малюнка бачимо, що шунтуючий i послiдовний опори погiршують ВАХ. При цьому шунтуючий опiр сприяє на форму ВАХ меньше, чим послiдовний опiр.
Запишемо вираз для Iкз
(1.8)
а значення Vхх вiдображається формулою
(1.9)
В цьому випадку як величина Vхх, так i величина Iкз обумовленi параметрами ВАХ : n, IS, а також величиною опорiв RS та RSh. Так, наприклад, струм Iкз зростає для менших значень RS та бiльших значень RSh. Величина Vхх зростає при зростаннi RSh.