Бақылау сұрақтары:

1. Күн электр стансасының қандай түрлері бар?

2. Мұнаралы күн стансасының қандай элементтері бар?

3. Мұнаралы күн стансасының жұмыс істеу тәртібі.

4. Гелиостаттардың міндеті және басқару жүйесі қалай жұмыс істейді?

5. Гелиостатардан шағылған энергия қалай анықталады?

6. Модульді күн стансасының негізгі элементтері қандай?

9- ДӘРІС

Тақырып: Жарықтың жұтылуы және фотоэлементтердің түрлері. Күн фотоэлементтерінің негізгі сипаттамалары

Жоспар:

Жарықтың жұтылуы

p-n ауысуының фотоэлектрлік қасиеттері.

Күн элементінің вольт-амперлік сипаттамасы

Жарықтың жұтылуы және фотоэлементтердің түрлері

Қазіргі кездегі физика жарықты электромагниттік толқындар ретінде қарастырады, оның екі түрлі табиғаты бар. Ол өзін толқын ретінде көрсетеді және корпускулалық қасиетке ие. Жарық сәуле шығарады және үздіксіз ағынмен емес, ол бөлек, бір-бірімен байланысы жоқ порциялармен немесе толқындық фотондармен таралады.

Әрбір фотон белгілі мөлшердегі энергия тасығыш болып саналады. Фотондар энергия мөлшері бойынша ажыратылады. Энергия мөлшері ең үлкен фотон бұл толқындық теорияның ең үлкен жиілігімен сипатталатын сәулеленуге сәйкес фотон [1, 12 ,46].

Егер тек көрінетін жарық туралы айтсақ, ең үлкен энергияға күлгін түсті фотондар ие, ал ең кіші фотондар, қызғылт сәуле ағындарының құрамына кіреді /8/.

Фотон энергиясы е сәулелену жиілігіне v пропорционал екені анық:

(9.1)

мұндағы, – Планк тұрақтысы

Егер е фотон энергиясы жоғары болса, яғни жиілік v төмен болса, электрмагниттік сәулеленудің корпускулалық құрылымы соғұрлым тезірек анықталады.

Рентген немесе γ-сәулелер ағынында практикалық түрде негізінен корпускулалық қасиет пайда болады.

Фотон энергиясы е төмен болса, яғни жиілік v төмен болса сәулеленудің толқындық қасиеті соғұрлым үлкен дәрежеде көрінеді. Ұзын толқынды сәулелену ағыны (радиотолқындар) тек өзінің толқындық қасиетін ғана оңай анықтайды және практикалық түрде корпускулалықты анықтамайды.

Электромагниттік сәулелену шкаласында көрінетін жарық жиіліктері немесе толқын ұзындықтарының арасы өте тар мәнге ие болады: 0,4-0,8 мк. Көрінетін сәулеленудің жартылай өткізгіші бетіне түскенде болатын физикалық құбылыстарды қарастырғанда, әртүрлі энергиялардың фотондар ағыны ретінде қарастыруға болады [5, 12, 34, 50].

9.1-сурет. Металдар мен жартылай өткізгіштердің фотоэффектілік сұлбасы

Егер фотондардың ағыны қандай да бір металл бетіне түссе, фотондардың бір бөлігі сонда шағылады, ал қалған бөлігі металға жұтылады. Жұтылған фотондар өз энергиясын металдың кристалл торына және бос электрондарға береді де, тордың амплитудалық тербелісін және бос электрондарының хаостық қозғалыс жылдамдығын жоғарылатады

Егер фотон энергиясы үлкен болса, онда ол металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болады, яғни шығу жұмысына φ (9.1 а-сурет) қарағанда тең немесе үлкен энергияны қабылдайды.

Бұл құбылыс сыртқы фотоэффект деп аталады. Егер жұтылған фотон энергиясы металдан электронды шығарып алуға жеткілікті болмаса, оның энергиясы ақырында түгелімен металды қыздыруға кетеді [46, 51, 52].

Бұндай құбылысты біз жартылай өткізгішке фотондардың ағыны әсер еткенде байқаймыз.

Кристалдық жартылай өткізгіштердің металдардан таза түрінде (қоспаларсыз) айырмашылығы, егер оларға ешқандай сыртқы факторлар әсер етпесе (температура, электрлік өріс, жарық сәулеленуі, т.с.с.), бос электрондары болмайды.

Бірақ жартылай өткізгіш материалына әрқашан қандай да бір температура (жиі бөлменікі) әсер етсе, атомдармен байланысқан электрондардың бір бөлігі жылулық тербелістердің арқасында атомдардан үзуге жеткілікті энергия шығаруы мүмкін. Бұндай электрондар бос электрондарға айналады және электр тасымалдаушы бола алады.

Электронынан айрылған жартылай өткізгіш атомы электрон зарядына тең дұрыс зарядқа ие болады. Бірақ электроны жоқ атомдағы орын көршілес атом электронымен толтырылуы мүмкін.

Бос электрон түзілуінен босаған орын зарядталған бөлшекке теңдей болады, ол кемтік деп аталады. Кемтіктер электр тогының өту үдерісіне қатысуы мүмкін.

Атомдармен байланысқан электрондардың энергиясы, оның шегінде табылатын толтырылған энергетикалық аймақ немесе валенттік байланыс аймағы деп аталады. Бос электрондардың энергиясы салыстырмалы үлкен, сондықтан ол әлдеқайда жоғары энергетикалық аймақта – өткізу аймағында (9.1-суреттегі 1-аймақ) тұрады. Толтырылған аймақ пен өткізу аймағының арысында тыйым салынған энергиялардың аймағы болады, яғни энергиялардың мұндай мәндегі аймағында, берілген жартылай өткізгіштің материалының байланысқан да, бос күйінде де бола алмайды. Бұл жартылай өткізгіштердің әртүрлі тыйым салынған аймақтағы мөлшері әрқилы. Мысалы, германий үшін – 0,7 эв (электроновольт), ал кремний үшін 1,12– эв .

Кемтіктер толтырылған аймақта болады, себебі олардың түзілуі тек қана жартылай өткізгіштердің кристалл торларының атомдарында ғана мүмкін [5,12,17,25].

Бос электрон-кемтік жұбының мөлшері жартылай өткізгіштердің беті жарықтанғанда кенет өсуі мүмкін. Бұл мынамен түсіндіріледі, кейбір фотондардың энергиялары электрондарды атомдардан шығарып алуға және оларды толтырылған аймақтан өткізу аймағына ауыстыруға жеткілікті болады. Бұл құбылыс ішкі фотоэффект деп аталады. Ішкі фотоэффекттің шарты мына теңдеумен анықталады

E_g, (9.2)

мұндағы, Eg – тыйым салынған аймақтың ені.

Электрондардың және кемтіктердің концентрациясының артуы жартылай өткізгіштік материалдың өткізгіштігінің артуына алып келеді. Сыртқы факторлардың әсерінен ток өткізгіштігі таза монокристалды жартылай өткізгіште меншікті өткізгіш деп аталады, себебі ол тек қана жартылай өткізгіштің қозған күйімен ескертілінген. Сыртқы әсерлердің жоғалуымен бос электрон-кемтікті шарлар жоғалады (бір-бірімен кері комбинацияланады) және меншікті өткізгіштігі нөлге ұмтылады.

Жартылай өткізгіштің сыртқы фотоэффект құбылысы да бар. Бірақ ол металдағы жағдайға қарағанда әлдеқайда күрделі сипатқа ие.

Жартылай өткізгіштің сыртқы фотоэффектін жасау үшін квант жұтып алынған энергиясы толтырылған аймақтан электрондарды шығаруға және оларды жартылай өткізгіштен жоюға жеткілікті болуы керек.

Сонымен, жартылай өткізгіштегі сыртқы фотоэффект сәулеленудің жиілікпен әсері арқасында болады, ол ішкі фотоэффект қарастыратын жарық жиілігінен әлдеқайда үлкен. Сондай жоғары жиілікті сәулелену үлесі жалпы түсетін күн сәулеленумен салыстырғанда үлкен емес, сондықтан әдеттегі жартылай өткізгіштерде сыртқы фототоктар аз [22, 25, 46].

Жарықты электр энергиясына түрлендіру ішкі фотоэффектімен ғана байланысты.

Тек қана бір меншікті өткізгіштікке ие идеалды таза жартылай өткізгіш материалдар жоқ. Әдетте жартылай өткізгіш қандай да бір белгілі типті өткізгіштікке ие: не тек қана кемтікті (р-типті), не тек қана электронды жартылай өткізгіштің өткізгіштік типі оның кристалдық торына активті қоспалар енгендегі валенттілікпен анықталады.

Кремний үшін активті қоспа ретінде Менделеевтің периодтық кестесінің үшінші (бор, алюминий, галлий, индий, таллий) немесе бесінші (фосфор, мырыш, сурьма, висмут) тобына жататын элементтер кіреді. Ал кремнийдің өзі периодтық кестенің төртінші тобына жатады.

Фотоэлементтер

Жұмыс істеу принципі бойынша барлық фотоэлементтер екі класқа бөлінеді. Бірінші класқа жататын фотоэлементтер сыртқы фотоэффектке негізделген вакуумды және газ толтырылған, екіншісіне бекітілген қабатты жартылай өткізгіштік фотоэлементтер. Оларды басқаша вентилді (жапқыштық) деп атайды, оның жұмысы ішкі фотоэффектке негізделген. Соңғыларға мыс тотығы, селен, германий, кремний және басқалар жатады .

9.2-сурет. Кең тараған фотоэлементтердің түрлері

­

Вентилді фотоэлементтердің басқа түрлерден айырмашылығы жарық сәулеленуінің әсерінен олар бірқатар жағдайда тура күн жарығында меншікті п.ә.к.-ін өндіреді. Ол вольттің оннан бір бөлігі. Сонымен олар сәулелік энергияны электр энергиясына түрлендіруіне мүмкіндік береді. Электр энергиясының көзі ретінде қолданылатын фотоэлементтер, әдетте фотоэлектрлік фототүрлендіргіштер немесе жай фототүрлендіргіштер деп аталады. Фотоэлектрлік түрлендіргіштердің қазіргі кезде ең жетілгендеріне кремний элементі жатады [12, 22, 28].

Кремнийді негізгі материал ретінде таңдау бірқатар факторларға негізделген.

Біріншіден, кремний оттегіден кейінгі Жер бетіндегі ең көп тараған элемент және оның өндірісі жақсы игерілген.

Екіншіден, теория көрсеткендей, күн спектрі үшін ең үлкен қуат шығысы фототүлдендіргіштен алынады, олар тыйым салынған аймағының ені 1-1,5 эв шектерінде жататын жартылай өткізгіштермен дайындалады.

Үшіншіден, кремний фототүрлендіргіштері күн сәулеленуін өзінің спектрлік сезімталдығына қолдануына жақын келеді.

Төртіншіден, мысалы, германий құрылғыларымен салыстырғанда кремнилықтардың температуралық тербелістерге сезімталдығы төмен.

p-n ауысуының фотоэлектрлік қасиеттері

Монокристалдық кремний негізіндегі қарапайым күн элементі келесідегідей құрылымға ие болады: р-типті кремнилі пластинадан кіші тереңдікте жіңішке металдық байланысы бар p–n ауысуы орналасқан, пластинаның артқы жағында біркелкі металдық байланыс орналасқан [12]. p–n ауысуы жартылай өткізгіштің жарықтандыру бетіне жақын орналасады. Күн элементін электрэнергиясы ретінде қолданғанда оның соңына кедергі күші жалғану керек. Бастапқыда екі жағдайды қараймыз: қысқа тұйықталу режимі және (бірлік жүріс режимі).

Осы режимдерге арналған зоналық диаграмма 9.4 а, б-суретте көрсетілген [12, 22, 28].

Бірінші жағдайда жарықтандырудың зоналық диаграммасының p–n ауысуы термодинамикалық жарықтандыру зонасынан айырмашылығы жоқ. Бірақ p–n ауысуы арқылы және сыртқы өткізгіш арқылы ток жүреді, р облысында элекронды-тесік жұптары шартында фоторегенерацияланады.

Фотоэлектрондар, көлемдік заряд ауданына жақын орналасып, p–n ауысуының электр өрісі аймағында айналып, n-аумағына түседі [12,50,52].

Қалған электрондар шығындардың орнын толтыру үшін p–n ауысуына диффундалады, нәтижесінде олар да n-аумағына түседі. n-аумағында электрондардың шептік металдық байланысқа қарай, ішкі тізбектің ағысы және р-аумағындағы байланысқа бағытталған қозғалысы туындайды.

9.4-сурет. Жарықтандыру кезіндегі p–n-ауысуының энергетикалық зоналарының диаграммалары: а – қысқа тұйықталу; б – бірлік жүріс; в – кедергілік күштің қосылуы .

Байланыс шекарасында р облысы жанында фоторегенерацияланған тесіктермен электрондар жақындағанда рекомбинацияланады.

Ашық сыртқы тізбекте p–n ауысуындағы фотоэлектрондар n облысына түскенде осы облыста жиналады және n облысын кері зарядтайды. Р облысында қалған тесіктер р облысын оң зарядтайды.

Осы кезде пайда болған патенциалдар айырмасы кернеудің бірлік жүрісі болып табылады . Полярлық p–n- ауысуының тік араласуына сәйкес келеді.

Генерацияланған жарық ағынымен тасымалдағыш фототокты құрайды. өлшемі фотогенерацияланған p–n ауысуындағы бірлік уақытта өткен тасымалдығыш санына тең.

, (9.3)

мұндағы, – электрон зарядының өлшемі;– монохроматты сәулелену жұтылуының қуаты.

Жартылай өткізгіште энергиямен әрбір жұтылған фотон бір электрондық-тесік жұбын құрайды [12, 22, 17, 52].

Бұл шарт Si және GaAs негізіндегі күн элементтеріне орындалады p–n ауысуы кезінде омдық нөлдік ішкі шығындар күн элементінің қысқа тұйықталу режимі p–n ауысудың ауытқуының нөлдік кернеуіне эквивалентті, сондықтан қысқа тұйықталу тогы фототокқа тең. (9.4 а-сурет)

. (9.4)

Бос жүріс тәртібінде p–n ауысуы жылжудың кернеуі . арқылы туатын тікелей ток - қаралық токпен теңестіріледі. «Қаралық» токтың абсолюттік мәні:

, (9.5)

Бұл жерде

, (9.6)

мұндағы, – Больцман тұрақтысы, 1,38·10^-23 Дж/К=0,86·10^-4 эВ/К;– абсолюттік температура, К; – қаныққан ток.

Күн элементінің вольт-амперлік сипаттамасы

Жарықталған p–n ауысуының вольт-амперлік сипаттамасы үшін жалпыланған түйінін табайық. Ол үшін түрлендіргіш кернеу бар қоректену көзі қосылған деп алайық. Оң кернеулік кезінде фототоктың ауытқуы p–n ауысуының «қаралық» тогынан алынады, теріс кернеулік кезінде олармен бірге қосылады.

Вольт-амперлік сипаттамасы үшін келесі түрдегі формуланы жазамыз:

. (9.8)

Жүктеменің түрлендіргіш кедергісінің p–n ауысуға қосылуын қарастырайық. Жүктемедегі ток бағыты -тің бағытымен сәйкес келеді, ал жүктеменің тогы p–n ауысуы арқылы нәтижеленген токқа тең. -тің бағыты оң деп алсақ, үшін:

, (9.9)

мұндағы, – p–n ауысуындағы кернеуге тең жүктеменің кернеуі.

9.5-сурет. p–n ауысуының жүктемелі ВАК-ы GaAs ішінде және сипаттамасының мәндері 0,1 (1), 1,026 (2) және 10 Ом (3) (а) және жүктеменің кедергісі бар жарықталған p–n ауысуының эквиваленттік сүлбесі (б).

Қысқа тұйықталу мен бос жүріс кезінде , себебі , немесе нөлге тең.

Жүктемеде бөлінетін электрлік қуат мына формуламен анықталады :

. (9.11)