Кафедра общей и технической физики

Кафедра общей и технической физики

Физика

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

 

Методические указания к лабораторным работам

 

 

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2015

 

УДК 539.2/145.+536.2.02

 

физика. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Методические указания к лабораторным работам /сост. Т.В. Стоянова, Н.А. Тупицкая. Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2015. 23 с.

 

 

Методические указания к лабораторной работе № 3 «Солнечные элементы» являются частью цикла методических указаний к лабораторным работам по дисциплине «Физика».

Методические указания разработаны в соответствии с требованиями Федеральных Государственных образовательных стандартов (ФГОС 3).

Предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки Горного университета.

 

 

Авторы методических указаний выражают благодарность доц. И.И. Парфёновой за помощь в подготовке материалов.

Табл. 3. Ил. 10. Библиогр.: 5 названий

Научный редактор доц. Т.В. Стоянова

 

 

Ó Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2015 г.

 

ВВЕДЕНИЕ

В методических указаниях к лабораторной работе изложены теоретические основы работы солнечных элементов, для более глубокого ознакомления с физическими основами изучаемых явлений рекомендуется литература [1] – [5]. Описание работы знакомит с содержанием и методикой её выполнения. Примерная схема записи результатов измерений и их обработки (формы таблиц, отчёта, некоторые параметры измеряемого образца) приведены на рабочих местах. Вопросы к зачёту в конце описания позволяют студенту сосредоточиться на главном. Требования к оформлению отчёта изложены ниже.

Рекомендации к выполнению лабораторных работ

 

Целью лабораторных работ является приобретение студентами практических навыков в проведении физического эксперимента, что включает в себя ознакомления с методиками измерения физических величин, обучение работе с измерительными приборами, методам и способам их правильного применения. Студенту предстоит совершенствовать свои навыки использования компьютера для написания отчетов и оформления графиков.

Прежде чем приступить к изучению лабораторной работы, рекомендуется ознакомиться с общей теоретической частью методического указания [4] – основами зонной теории твёрдого тела.

При подготовке к экспериментальной части лабораторной работы студенту необходимо оформить заготовку, которая должна содержать:

1.Цель работы;

2.Схему экспериментальной установки с указанием и расшифровкой её основных элементов;

3. Основные рабочие формулы, с расшифровкой величин, входящих в формулу и их размерности;

4. Таблицу для записи результатов измерений.

Титульный лист заготовки оформляется в соответствии с правилами оформления титульных листов лабораторных работ, принятыми в Горном университете.

Заполнение таблицы с результатами измерений следует проводить аккуратно, в строгом соответствии с показаниями приборов. Результаты измерений необходимо записывать непосредственно такими, какими они сняты с приборов, без какой-либо предварительной обработки. В случае если измерение выглядит неправдоподобно, необходимо перепроверить схему подключения прибора и аккуратно повторить измерение.

Никаких, даже самых простых арифметических расчетов, нельзя делать «в уме» для уменьшения вероятности ошибок. Промежуточные вычисления, если они есть, необходимо приводить в заготовке в письменном виде, от руки.

На основе данных, полученных в результате проведения лабораторной работы, оформляется отчёт. Требования к отчёту изложены на страницах 21 – 22 методических указаний.

Контрольные вопросы приведены на странице 22.

Работа 3. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Цель работы: исследование работы солнечного элемента и изучение его основных характеристик.

 

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Фотоэлемент является источником электроэнергии, который генерирует электрическое напряжение за счёт поглощения света, испускаемого внешними источниками. В случае поглощения фотоэлементом видимого (солнечного) света его называют солнечным элементом или солнечной ячейкой. Солнечные элементы, изготавливаемые в промышленных масштабах, в основном конструируют на основе Si, GaAs, GaAsP. Фото-ЭДС таких элементов обычно составляет величину ~ 0,5 В.

Коэффициент полезного действия (КПД) выпускаемых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %. Бо́льший коэффициент полезного действия реализуют на солнечных элементах на основе арсенида галлия (GaAs) и твёрдых растворов, однако стоимость этих материалов существенно выше. С целью удешевления солнечных элементов используют концентраторы солнечной энергии.

В лабораторных условиях для изготовления солнечных элементов применяют более широкий спектр материалов и конструкций, при помощи которых достигаются большие значения коэффициента полезного действия (табл. 1).

Для получения большей ЭДС фотоэлементы соединяют в батареи последовательно (солнечные батареи), а для получения большей мощности – параллельно.

Разные материалы имеют максимум поглощательной способности в разных интервалах электромагнитного спектра, например для кремния, он лежит в инфракрасной области спектра. Для повышения КПД солнечных элементов их изготавливают в виде многослойных структур. Многослойные батареи представляют собой конструкцию, состоящую из слоев различных материалов. Их подбирают в расчете на кванты разной энергии. То есть один слой поглощает энергию зеленого цвета, второй – синего, третий – красного. В теории различные комбинации этих слоев могут дать значение КПД 87%. Но это, к сожалению, лишь теория. Как показывает практика, изготовление подобных конструкций в производственных масштабах очень трудоемкое занятие, да и стоимость таких модулей очень высока. В настоящее время максимальных КПД, достигнутый на многослойных модулях, составил 44,7% (данные на сентябрь 2013 года).

Солнечные батареи питают бортовые системы космических аппаратов, автомобилей, обогревают и освещают помещения и т.д. Со временем они будут играть всё большую роль в энергетике, которая является экологически чистой и позволяет сохранять ископаемые виды топлива.

 

Таблица 1

Максимальные значения эффективности фотоэлементов и модулей, достигнутые в лабораторных условиях

Тип	Коэффициент фотоэлектрического преобразования, %
Кремниевые
Si (кристаллический)	24,7
Si (поликристаллический)	20,3
Соединения А^III- В^V
GaAs (кристаллический)	25,1
GaAs (поликристаллический)	18,2
InP (кристаллический)	21,9
Тонкие пленки халькогенидов
CIGS (фотоэлемент)	19,9
CIGS (субмодуль)	16,6
CdTe (фотоэлемент)	16,5
Кремний
Si (аморфный)	9,5
Si (нанокристаллический)	10,1
Фотохимические на базе органических красителей	10,4
Органическийполимер	5,15
Многослойные
GaInP/GaAs/Ge	32,0
GaAs/CIS (тонкопленочный)	25,8
a-Si/mc-Si (тонкий субмодуль)	11,7

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОГО ЭЛЕМЕНТА,

ВНУТРЕННИЙ ФОТОЭФФЕКТ

 

Проводимость полупроводников с большой степени зависит от внешних факторов, главным образом, от температуры и от облучения квантами света. Дополнительная проводимость в полупроводниках, возникающая под действием света, называется фотопроводимостью или внутренним фотоэффектом.

Существует три пути увеличения концентрации носителей под действием света:

1) в собственном проводнике кванты света вырывают электроны из валентной (заполненной) зоны и забрасывают их в зону проводимости, при этом одновременно образуется равное число дырок в валентной зоне. Для осуществления этого процесса необхо димо, чтобы энергия квантов была больше ширины запрещённой зоны, т.е. (рис. 1.а);

Рис. 1.а

2) в примесном полупроводнике n- типа (электронном) электроны забрасываются с донорных уровней в зону проводимости, и увеличивается электронная проводимость. Для этого необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации донорной примеси, т.е. (Рис. 1.б);

Рис. 1.б

3) в полупроводнике p -типа (дырочном) электроны вырываются из валентной зоны и забрасываются на акцепторные уровни, при этом возрастает дырочная проводимость. В этом случае необходимо, чтобы энергия квантов была больше энергии ионизации акцепторной примеси, т.е. (Рис. 1.в).

Рис. 1.в

При освещении находящегося под напряжением полупроводника, в нём протекает световой ток I.

Рассмотрим принцип действия кремниевой солнечной ячейки с p-n- переходом. Структура ячейки представлена на рис. 2.

При освещении кремния из-за поглощения квантов света в p-n- переходе и в областях полупроводника, прилегающих к р-n- переходу, происходит генерация электронно-дырочных пар новых неравновесных носителей заряда. Возникающие при этом дырки в n -области и электроны в р -области являются неосновными носителями заряда, для которых поле контактной разности потенциалов является ускоряющим.

Под действием ускоряющего поля контактной разности потенциалов неосновные носители заряда (электроны и дырки) начинают двигаться в противоположных направлениях и концентрироваться по обе стороны р-n-перехода. Основные носители заряда, д ля которых поле контактной разности потенциалов является тормозящим, остаются в объёме той области полупроводника, в которой они образовались.

 

	Положительный контакт

 

 

В результате накопления электронов в n -области и дырок в p -области между этими двумя областями возникает дополнительная разность потенциалов, так называемая фото-ЭДС.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

 

 

Рис. 9

 

Блок-схема измерительной установки приведена на рис. 9.

Рис. 10. Принципиальная схема установки для снятия вольт-амперных и световых характеристик

Источником света является лампа 1. Для измерения интенсивности света служит датчик интенсивности излучения (ДИ) 2, сигнал с которого поступает на мультиметр 3, который измеряет напряжение на фотоэлементе в режиме измерения вольт-амперной характеристики и световых характеристик. Фототок солнечного элемента 4 измеряется мультиметром 5. Реостат 7 является переменным сопротивлением, позволяющим изменять значения напряжения на фотоэлементе в режиме снятии вольт-амперной характеристики. Фильтр 6 служит для уменьшения нагрева солнечного элемента.

Принципиальная схема установки для снятия вольт-амперных и световых характеристик приведена на рис. 10.

Фототок солнечной батареи 1 измеряется мультиметром 2, а её напряжение – мультиметром 3. Регулировка тока производится реостатом 4.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед включением оборудования необходимо убедиться в отсутствии посторонних предметов в рабочей зоне и предупредить товарищей о начале лабораторной работы; до начала работы приборы должны быть выключены.

В случае обнаружения неисправностей, связанных с токопроводящими проводниками, изоляцией, греющимися токонесущими частями, необходимо немедленно прекратить работу и обратиться к преподавателю или дежурному лаборанту.

ЗАМЫКАНИЯ ОТ ОСВЕЩЕННОСТИ

 

1. Не меняя схему предыдущего эксперимента, перевести мультиметр в режим измерения тока с пределом шкалы «200 mA».

2. Включить лампу.

3. Изменяя расстояние от фотоэлемента до лампы в диапазоне от 1 м до 50 см с шагом 5 см, измерить ток короткого замыкания I _кз.

4. Данные занести в таблицу 2.

5. Выключить мультиметр и лампу.

 

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЁТУ

По лабораторной работе оформляется отчет, который должен содержать:

1) номер и название работы;

2) формулировку цели работы;

3) физическое обоснование цели работы и метода измерения;

4) рабочую формулу с расшифровкой всех буквенных обозначений;

5) результаты прямых измерений и вычислений;

6) построенные графики зависимостей:

6.1) интенсивности света от расстояния от лампы, J (r).

6.2) напряжения холостого хода от освещённости, U _хх(J).

6.3) тока короткого замыкания от освещённости, I _кз(J).

6.4) тока от напряжения (вольт-амперные характеристики) без освещения и для трёх различных значений освещённости, I (U) для J ₁, J ₂, J ₃.

6.5) вольт-амперную характеристику для двух спектральных характеристик излучения – без фильтра и с фильтром, на расстоянии 50 см от лампы.

7) значение КПД фотоэлемента для расстояний 50, 70 и

90 см до лампы.

8) оценку погрешности (неопределённости) измерения КПД.

9) подпись студента и дату выполнения данной лабораторной работы

 

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

 

1 Что называется внутренним фотоэффектом?

2. Что такое солнечный (фото-) элемент? Каков принцип его действия? Что такое солнечная батарея?

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

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

5. Что называется напряжением холостого хода? Какое воздействие оказывает температура на напряжение холостого хода фотоэлемента?

6. В чём различие между освещением солнечным светом и освещением лампой?

Библиографический список

1. Детлаф А.А., Курс физики. /Детлаф А.А, Яворский Б.М. М.: Высшая школа, 2009.

2. Парфенова И.И. Квантовая механика, физика твёрдого тела и элементы атомной физики. / Парфенова И.И., Егоров С.В., Мустафаев А.С. и др. Сборник задач для студентов технических специальностей, СПб.: СПГГИ (ТУ), 2010. 112 с.

3. Савельев И.В. Курс физики. Т.3, М.: Лань, 2008.

4. Томаев В.В., Общая физика. Физика твёрдого тела. Зонная теория твердых тел. Контактные и магнитные явления в твёрдых телах. Метод. указания к лабораторным работам/ Томаев В.В., Стоянова Т.В., Левин К.Л. СПб.: 2012

5. Трофимова Т.И. Курс физики. / М.: Высшая школа, 2001 и др. г. изд.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение………………………………………………………..….. Рекомендации к выполнению лабораторных работ…………….. Основные теоретические положения…………………………….. Экспериментальная установка в статике и динамике…………… Порядок выполнения работы…………………………………..…. Требования к отчёту.......................................................................... Контрольные вопросы……………………………………..………. Библиографический список …………...………………………….. Содержание…….…………………………………………………...

 

Кафедра общей и технической физики

Физика

СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ