Кафедра общей и технической физики

Кафедра общей и технической физики

Лаборатория физики твердого тела и квантовой физики

Лабораторная работа 6

Исследование солнечных генераторов электроэнергии

 

 

 

Санкт-Петербург

2008

Цель работы - получить зависимость характеристик солнечных батарей от освещенности, оценить эффективность преобразования солнечного света в электрический ток.

 

I. Общие сведения

 

Фотоэлемент является источником электропитания, который генерирует электрическое напряжение за счет поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечной ячейкой.

 

Рис. 1. Устройство кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом.

 

Принцип действия солнечной ячейки.

 

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n переходом. Структура ячейки представлена на рис. 1. При освещении фотоэлемента из-за поглощения квантов света в p-n переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-n переходу, происходит поглощение квантов света и генерация электронно-дырочных пар – новых, неравновесных носителей заряда. Диффузионное электрическое поле, существующее в р-n переходе, производит разделение зарядов: электроны уходят в n-область, а дырки – в р-область. В результате накопления электронов в n-области и дырок в p-области между этими областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

 

Плотность тока через фотодиод.

Вдали от p-n перехода электрическое поле очень слабое, поэтому основным механизмом движения носителей там является диффузия. Не все фотоэлектроны, возникающие при поглощении света, дойдут до p-n перехода, так как на этом пути возможна рекомбинация носителей заряда. Дойдут лишь те носители заряда, у которых время пути до перехода меньше времени жизни электрона в зоне проводимости (или расстояние до перехода больше длинны диффузионного пробега).

Плотность тока через фотодиод складывается из тока электронов в р-области, дырок в n-области и электронно-дырочных пар, появившихся в p-n переходе:

где g – количество электронно-дырочных пар, родившихся в единицу времени с единицы площади p-n перехода.

Основные характеристики фотоэлемента.

ВАХ.

Основной характеристикой фотоэлемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ), при различных освещенностях или световых потоках (рис.3а). При отсутствии освещения (J=0) ВАХ имеет вид характерный для обычного р-n перехода. При увеличении освещенности (J₁ и J₂) появляется обратный ток неосновных носителей и вся кривая смещается вниз.

 

 

Рис.3. Общий вид (а) и рабочая область (б) вольт-амперной характеристики фотоэлемента.

 

Точки пересечения ВАХ с осью напряжений соответствуют значениям фото-ЭДС (или напряжению холостого хода U_хх) при разных освещенностях (для кремниевого фотоэлемента фото-ЭДС имеет порядок ~0,5–0,55 В). Точки пересечения ВАХ с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания I_кз. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом имеет порядок ~20-25 мА/см².

По ВАХ при различных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь вписанного прямоугольника с вершиной на ВАХ при заданной освещенности (рис.3б). Для кремниевых фотоэлементов при оптимальной нагрузке напряжение нагрузки составляет ~0,35-0,4 В, плотность тока 15-20 мА/см².

Так как рабочей областью является область прямого смещения р-n перехода и обратного тока, то обычно ВАХ фотоэлемента переворачивают и она имеет вид, приведенный на рис.4.

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ФЭ при разных интенсивностях света J и линия оптимальной нагрузки.

Содержание отчета

1. Зависимость интенсивности света на разных расстояниях от лампы, J(r).

2. Зависимость напряжения холостого хода от освещенности, U_хх(J).

3. Зависимость тока короткого замыкания от освещенности, I_кз(J).

4. ВАХ для трех различных значений освещенности, I(U) для J₁, J₂, J₃.

5. Значение КПД фотоэлемента для расстояния 50 см до лампы.

6. ВАХ для двух спектральных характеристик излучения - без фильтра и с фильтром, на расстоянии 50 см от лампы.

 

Контрольные вопросы

 

1. Что такое солнечная батарея? Каков принцип ее действия?

2. Что такое напряжение холостого хода и ток короткого замыкания?

3. Что такое КПД фотоэлемента и как его рассчитывать? Как выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента?

4. Какое воздействие оказывает температура на напряжение холостого хода фотоэлемента?

5. В чем различие между освещением солнечным светом и освещением лампой?

Кафедра общей и технической физики