3734

-2
см	0.00018	Спектральная плотность мощности
-1
нм	0.00016	солнечного излучения, Вт нм-1см-2
Вт
,	0.00014
мощности
	0.00012
	0.00010
плотность	0.00008
	0.00006
	0.00004
Cпектральная	0.00002	Солнечное излучение:
		широта 50О, лето, полдень
	0.00000
	-0.00002
	200	400	600	800	1000	1200
				нм
Рис. 5.2. Спектральная плотность удельной мощ-
		ности солнечного излучения

мощность солнечного излучения, приходящаяся на площадь 1 см2 со-

ставляет Pin = 0.082 Вт/см2, или же 820 Вт/м2.

Приведенное значение Pin = 820 Вт/м2 наглядно свидетельствует о том, что даже на достаточно высоких широтах солнечное излучение является неисчерпаемым источником энергии, значение которого будет все возрастать по мере истощения и удорожания традиционных источников энергии.

Большинство солнечных элементов, разработанных к настоящему моменту, представляют собой полупроводниковые фотодиоды большой площади, конструкция которых оптимизирована для эффективного преобразования солнечного излучения в электрическую энергию. Фотодиод – полупроводниковое фотоприемное устройство, в основе работы которого лежит фотовольтаический эффект. Этот эффект проявляется в полупроводниковых структурах, содержащих тот или иной вид потенциального барьера, в частности, p–n-переход. При освещении фотодиода светом с энергиями фотонов ħ > Eg происходит поглощение излучения, при этом в диоде генерируются электронно-дырочные пары. Образовавшиеся электронно-дырочные пары разделяются полем p–n-перехода, электроны смещаются в n-область, дырки в p-область фотодиода, что приводит к образованию фотоЭДС Uф, а во внешней цепи возникает фототок Iф (рис. 5.3). Отметим, что фототок по направлению совпадает с обратным током диода (рис. 5.3).

30

EC	–
		Uф
EV	+
l1	d	l2
	Iф
Рис. 5.3. Схема фотодиода

Если на фотодиод направить поток фотонов с энергией ħ и мощностью Pin, то за секунду на поверхность фотодиода будет падать чис-

ло фотонов N = Pin / ħ . Часть фотонов отразится от поверхности фотодиода, часть фотонов пройдет фотодиод без поглощения, наконец, часть фотонов поглотится в области p–n-перехода d и областях, примыкающих к p–n-переходу, на расстояниях диффузионной длины неосновных носителей заряда (l1, l2) (см. рис. 5.3). Именно эта часть фотонов, поглощенных в областях l1, d, l2, приведет к образованию элек- тронно-дырочных пар, которые будут разделены электрическим полем p–n-перехода и примут участие в формировании фототока диода. Отношение числа генерируемых светом свободных носителей заряда, формирующих фототок диода, к числу падающих на фотодиод фотонов определяется параметром, который называется квантовым выхо-

дом фотодиода . В соответствии с определением квантовый выход фотодиода задается выражением

= (Iф /e) / (Pin / ħ),

(5.1)

здесь e – заряд электрона. Квантовый выход фотодиода является интегральным параметром, характеризующим эффективность работы фотодиода, он зависит от большого числа параметров, таких как коэффициент поглощения света в полупроводнике на данной длине волны, диффузионные длины неосновных носителей заряда, ширина p–n-пе- рехода, скорость поверхностной рекомбинации и ряда других. Из выражения (5.1) следует:

Iф = (e / ħ) Pin .	(5.2)
31

Из (5.2) вытекает, что величина фототока Iф растет линейно с ростом мощности излучения Pin. На рис. 5.4 приведены вольт-амперные зависимости фотодиода для случая Pin = 0 и Pin 0, во втором случае вольтамперная зависимость смещена по вертикальной оси вниз на величину фототока Iф, задаваемого выражением (5.2).

В случае если нагрузочное сопротивление фотодиода равно нулю, реализуется режим «короткого замыкания». В этом режиме фототок диода имеет максимальное значение IКЗ, но напряжение на фотодиоде равно нулю, соответственно выходная электрическая мощность фотодиода Pout = IU равна нулю.

В режиме холостого хода, когда нагрузочное сопротивление фотодиода имеет очень большое значение, напряжение на фотодиоде (фотоЭДС) имеет максимальное значение UXX , но при этом фототок и выходная мощность фотодиода Pout равны нулю. В случае, если фотодиод используется в качестве солнечного элемента, нагрузка диода выбирается таким образом, чтобы выходная мощность Pout = IU достигала максимального значения Pout max (рис. 5.4).

	I
	Pout = 0
Pin = 0	UXX	U
	IКЗ
	Iф
	Pout max
Pin 0	Pout = 0
Рис. 5.4. Вольт-амперная зависимость фотодиода

Коэффициент полезного действия солнечного элемента определяется отношением

КПД = Pout max / Pin .

(5.3)

Повышение КПД солнечных элементов является одной из наиболее актуальных проблем современной солнечной энергетики. Разработка и

32

создание солнечных элементов с высоким КПД является сложной на- учно-технологической задачей. Рассмотрим основные факторы, ограничивающие КПД солнечных элементов. Одним из факторов, ограничивающих КПД солнечного элемента, является квантовый выход , величина которого может быть заметно меньше единицы, что обусловлено целым рядом причин: 1) часть солнечного излучения отражается от поверхности солнечного элемента, 2) часть солнечного излучения не поглощается солнечным элементом, 3) часть солнечного излучения поглощается вне областей l1, d, l2 солнечного элемента (рис. 5.3). Другим важным фактором, снижающим КПД солнечного элемента, является механизм релаксации энергии фотовозбужденных носителей. При поглощении кванта света с энергией ħ > Eg часть энергии E = ħ – Eg расходуется на генерацию фононов, на разогрев полупроводникового материала, таким образом, эта часть энергии фотона не преобразуется в электрическую энергию, вырабатываемую солнечным элементом.

Солнечные элементы на основе аморфного кремния, относящиеся к числу наиболее дешевых коммерческих преобразователей солнечной энергии, как правило, имеют КПД около 8 %. На основе кристаллического кремния удается получить солнечные элементы с заметно большим КПД, рекордное значение КПД солнечного элемента на основе кристаллического кремния составляет 27 %. Коммерческие солнечные элементы на основе кристаллического кремния, как правило, имеют КПД 15…17 %. В настоящее время наибольшее значение КПД солнечного элемента составляет 42 %, оно получено на сложном гетероструктурном солнечном элементе, содержащем три последовательно включенных фотодиода, изготовленных на основе различных полупроводниковых материалов.

3. Описание лабораторной установки

Схема лабораторной установки представлена на рис. 5.5. Лабораторная установка содержит солнечный элемент СЭ на основе кристаллического кремния, калиброванный источник оптического излучения – лампу Л, амперметр А, позволяющий измерять фототок СЭ, вольтметр V, измеряющий напряжение Uab, переменное нагрузочное сопротивление RV и тумблеры Т1 и Т2, задающие режим работы солнечного элемента.

Схема установки реализована в двух модулях. Первый модуль содержит источник оптического излучения и солнечный элемент СЭ (рис. 5.6). Меняя расстояние L между нитью накала лампы и солнеч-

33

ным элементом СЭ, можно изменять мощность оптического излучения, падающего на солнечный элемент, в широких пределах.

Лампа перемещается вдоль направляющего рельса с помощью рукоятки, расстояние L от нити накаливания лампы до плоскости солнечного элемента отсчитывается по линейке с помощью указателя

(рис. 5.6).

СЭ	Pin
		L	Л
A
I	Т1
	RV	Т2
a		b
		Uab
	V
Рис. 5.5. Схема лабораторной установки

Рис. 5.6. Внешний вид лабораторной установки:

СЭ – солнечный элемент; Л – лампа

34

Мощность оптического излучения, падающего на солнечный элемент, задается выражением:

Pin = P0 4 arctg(a/2L)arctg(b/2L),

(5.4)

где P0 – угловая плотность оптической мощности источника излучения, P0 = 450 мВт/стерадиан, a – высота солнечного элемента, a = = 6.1 см, b – ширина солнечного элемента, b = 9.2 см, L – расстояние от источника излучения до солнечного элемента в сантиметрах. При

L 10 см для определения Pin можно пользоваться приближенной формулой:

Pin = P0S/L2 ,

(5.5)

где S – площадь солнечного элемента, S 56 см2 .

Второй (измерительный) модуль представлен на рис. 5.7, он содержит амперметр А, вольтметр V, переменное нагрузочное сопротивление RV и тумблеры Т1 и Т2, а также источник питания лампы.

Рис. 5.7. Измерительный модуль лабораторной установки

Амперметр измеряет фототок СЭ в диапазоне 0…200 мА, послед-

няя цифра индикатора задает десятые доли мА. Вольтметр измеряет напряжение Uab в диапазоне 0…2000 мВ.

35

Режимы работы солнечного элемента задаются положениями тумблеров Т1, Т2 и положением переменного сопротивления RV.

При замкнутом положении тумблера Т1 нагрузочное сопротивление Rн равно нулю, в этом случае реализуется режим работы короткого замыкания (КЗ). При разомкнутом положении Т1 и замкнутом положении Т2 нагрузочное сопротивление Rн равно сопротивлению переменного резистора RV. Наконец, если оба тумблера находятся в разомкнутом положении, нагрузочное сопротивление Rн = , в этом случае реализуется режим работы холостого хода (ХХ).

4.Порядок выполнения работы

1.Измерение зависимости фототока солнечного элемента от мощности оптического излучения.

Включить источник излучения и измерительные приборы (амперметр, вольтметр), для чего перевести тумблеры «220 В», «9 В» на левой боковой панели измерительного модуля в верхнее положение. Перевести тумблер Т1 в положение «ВКЛ», в этом случае СЭ будет работать в режиме короткого замыкания, КЗ. Снять зависимость I(L) – зависимость фототока СЭ, отсчитываемого по амперметру, от расстояния лампа – СЭ L. Измерения провести при значениях L, указанных в табл. 5.1. Полученные значения фототока I занести в таблицу.

	Т а б л и ц а	5.1
I, мА
L, см	10 12 14 16 20 25 30 35 40 45	50

Pin, мВт

2. Пользуясь формулой (5.5), рассчитать мощность оптического излучения, падающего на солнечный элемент Pin, для значений L, указанных в табл. 5.1. Результаты расчета Pin занести в табл. 5.1. Построить график зависимости I(Pin). Проанализировать характер полученной зависимости.

3. Измерение вольт-амперной зависимости:

а) установить источник излучения на расстоянии L = 20 см. Провести измерение вольт-амперной зависимости солнечного элемента, считывая данные амперметра и вольтметра и занося полученные результаты в табл. 5.2.

36

Т а б л и ц а 5.2

Режим СЭ КЗ RV0 RV1 RV2 RV3 RV4 RV5 RV6 RV7 …. …. …. …. ХХ

I, мА

Uab, мВ

Pout, мВт

В режиме КЗ (тумблер Т1 в положении «ВКЛ») снять показания амперметра и вольтметра и занести результаты в табл. 5.2;

б) перевести тумблер Т1 в положение «ВЫКЛ», а тумблер Т2 в положение «ВКЛ». Вращая рукоятку переменного резистора RV против часовой стрелки до упора, установить начальное значение RV0. В этом положении рукоятки сопротивление RV близко к нулю, и режим работы СЭ может быть близким или совпадать с режимом КЗ. Снять показания амперметра и вольтметра и занести результаты в табл. 5.2. Плавно вращая рукоятку переменного резистора RV по часовой стрелке с шагом ~2 маленьких деления круговой шкалы, установить значение

RV1, (RV1 > RV0). Снять показания амперметра и вольтметра и занести результаты в табл. 5.2. С тем же шагом переходить к большим значениям RV, снимая показания амперметра и вольтметра и занося результаты в табл. 5.2, до достижения максимального значения RV, когда рукоятка переменного резистора повернута по часовой стрелке до упора. В этом случае сопротивление переменного резистора максимально и режим работы солнечного элемента близок к режиму холостого хода;

в) перевести СЭ в режим холостого хода, для чего установить оба тумблера в положение «ВЫКЛ», снять показания амперметра и вольтметра и занести результаты в табл. 5.2;

Выключить источник излучения и измерительные приборы, для чего перевести тумблеры «220 В», «9 В» на левой боковой панели измерительного модуля в нижнее положение;

г) пользуясь данными табл. 5.2, построить вольт-амперную зависимость солнечного элемента;

д) используя данные табл. 5.2, рассчитать значения выходной электрической мощности солнечного элемента Pout = IUab для различных значений нагрузочного сопротивления. Результаты расчета Pout занести в табл. 5.2. Из набора полученных значений Pout выбрать максимальное

37

значение выходной мощности солнечного элемента Pout max. Рассчитать значение коэффициента полезного действия солнечного элемента:

КПД = Pout max / Pin .

Сравнить полученное значение с цифрами, приведенными в п.1 описания данной лабораторной работы.

Отчет по лабораторной работе должен содержать схему установки, заполненные табл. 5.1 и 5.2, график зависимости фототока СЭ от мощности I(Pin), график вольт-амперной зависимости СЭ, полученное значение Pout max и значение КПД солнечного элемента.

5.Контрольные вопросы

1.Сформулировать принцип работы фотодиода.

2.Дать определение параметру квантового выхода фотодиода.

3.Дать определение КПД солнечного элемента.

4.Перечислить факторы, ограничивающие КПД солнечного элемента.

5.Каким образом можно повысить КПД солнечного элемента?

6.Каковы теоретические пределы КПД солнечного элемента на кремнии?

38

Список литературы

Основная

1.Пихтин А.Н. Оптическая и квантовая электроника. – М.: Высшая шко-

ла, 2001.

2.Гайслер В.А. Оптоэлектроника. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

3.Величко А.А., Гайслер В.А. Оптоэлектронные приборы и системы. – Но-

восибирск: Изд-во НГТУ, 2001.

4.Игнатов А.Н. Оптоэлектронные приборы и устройства. – М.: ЭК ТРЕНДЗ, 2006.

5.Колесников А.А., Дикарева Р.П. Приборы оптоэлектроники: метод. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

6.Колесников А.А., Дикарева Р.П. Белова Т.И. Оптоэлектроника: метод.

пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1999.

7.Верещагин И.К., Косяченко ЛА., Кокин С.М. Введение в оптоэлектро-

нику. – М.: Высшая школа, 1991.

8.Карлов Н.В. Лекции по квантовой электронике. – М.: Наука, Гл. ред.

физ.-мат. лит., 1988.

Дополнительная

1.Звелто О. Принципы лазеров. – М.: Мир, 1984.

2.Ярив А. Введение в оптическую электронику. – М.: Высшая школа,

1983.

3.Тарасов Л.В. Введение в квантовую оптику. – М.: Высшая школа, 1987.

4.Рябов С.Г., Торопкин Г.Р., Усольцев И.Ф. Приборы квантовой электро-

ники. – М.: Радио и связь, 1985.

5.Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Сов. радио, 1989.

6.Основы оптоэлектроники / Суэмацу Я., Катаока С.; Кисино К, и др.;

пер. с яп. – М.: Мир, 1988.

7.Кейси Х., Паниш М. Лазеры на гетероструктурах. В 2 т. – М.: Мир,

1981.

8. Ханспенджер Р. Интегральная оптика, теория и технология. – М.: Мир,

1985.