Моделювання фотоелектричних перетворювачів
Природа і спектральний склад сонячного світла, характер його прямого та непрямого енергетичного перетворення. Типи сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 17.06.2014 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вступ
спектральний напівпровідниковий електричний кремній
Фотоелектричні перетворювачі - електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столєтов.
Фотоелектричний (або фотовольтаїчний) метод перетворення сонячної енергії в електричну є в даний час найбільш розробленим в науковому та практичному плані. Вперше на перспективу його використання у великомасштабній енергетиці звернув увагу ще в 30-ті роки один із засновників радянської фізичної школи академік А. Ф. Іоффе. Однак у той час ККД сонячних елементів не перевищував 1%.
Сучасні тенденції в світовій енергетиці стимулюють істотне зростання інтересу до альтернативних джерел енергії. ФЕП або сонячні елементи є найбільш перспективними, екологічно чистими кандидатами на зменшення нафтової залежності світу і, на відміну від органічних і неорганічних джерел енергії, перетворять сонячне випромінювання безпосередньо в електроенергію.
На 1 м2 поверхні Землі, розташованої перпендикулярно сонячним променям, доводиться 1,4 кВт сонячного випромінювання, а на 1 м2 поверхні Землі (сфери Землі) припадає в середньому 0,35 кВт.
Слід, однак, мати на увазі, що більше половини енергії сонячної радіації не доходить безпосередньо до поверхні Землі (суші і океану), а відображається атмосферою. Вважається, що на 1 м2 суші і океану землі припадає в середньому близько 0,16 кВт сонячної радіації. Отже, для всієї поверхні Землі сонячне випромінювання становить величину, близьку до 1014 кВт, або 105 млрд. кВт. Ця цифра, ймовірно, у багато тисяч разів перевищує не тільки сьогоднішню, але і перспективну потребу людства в енергії.
ФЕП широко використовуються для живлення магістральних систем електропостачання і різноманітного обладнання на КЛА; вони призначені також для підзарядки бортових хімічних акумуляторних батарей. Крім того, ФЕП знаходять застосування на наземних стаціонарних і пересувних об'єктах, наприклад, в АЕУ електромобілів. За допомогою ФЕП, розміщених на верхній поверхні крил, здійснене живлення приводного електродвигуна гвинта одномісного експериментального літака (США), яка вчинила переліт через протоку Ла-Манш.
Темпи зростання і плани розвитку наземної сонячної енергетики, намічені промислово розвиненими країнами, вражають масштабністю. До 2031 в світі планується мати сукупну встановлену потужність електрогенераторів на сонячній енергії 1700 ГВт (для порівняння: у 2004 р. 1256 МВт). Якщо сьогодні фотовольтаїка займає менше 1% в загальносвітовому балансі виробленої електроенергії, то до 2040 р. ця частка повинна зрости до 30%. У Росії наземна сонячна енергетика на поточний момент є активно розвивається галуззю. Є проекти по створенню фотоелектричних сонячних електростанцій, розвиваються технології виробництва СЕ і СБ Широке впровадження сонячної енергетики в космосі і на землі ставить перед проектувальниками проблему оцінки ефективності роботи фотоелектричних систем (ФЕС). Необхідно мати можливість передбачити потужність сонячних батарей під дією різноманітних факторів навколишнього середовища, порівняти ефективність використання СБ з різних матеріалів, оцінити поведінку фотоелектричних перетворювачів в різних режимах роботи. Для ефективного використання фотоелектричних генераторів необхідно знати точку максимальної потужності і забезпечити такий режим, щоб віддається потужність при зміні навколишніх умов була найбільшою. При відпрацюванні ФЕС використовують імітатори сонячних батарей, що дозволяють відтворювати характеристики СБ під впливом різноманітних зовнішніх впливів.
Передбачення поведінки і відтворення характеристик СЕ і СБ здійснюється за допомогою моделювання. У порівнянні з експериментом, математичне моделювання надає більш швидкий, гнучкий і дешевий спосіб відпрацювання ФЕС. Для відтворення характеристик СЕ і СБ найчастіше використовуються аналітичні моделі, які будуються на базі еквівалентної електричної схеми та основного рівняння СЕ. Роботи з моделювання характеристик СБ активно ведуться за кордоном, результати досліджень розглядаються на регулярних конференціях з фотовольтаїки.
Відомі аналітичні моделі дозволяють відтворювати зміна вихідних характеристик СЕ і СБ під дією різних температур і рівнів освітленості, але не враховують інших значущих чинників. Не приймаються до уваги неідеальність СЕ, конструктивні особливості батарей, необхідність відтворення характеристик СБ з різних матеріалів. Разом з тим, для використання пропонованих моделей потрібне проведення додаткових експериментів, що дозволяють визначити їх вхідні параметри.
1. Актуальність поставленої задачі
Сьогодні енергетика України вимагає значного споживання традиційних джерел енергії (нафти, газу, вугілля, атомної енергії). Проте їх використання пов'язане із виникненням ряду труднощів, серед яких теплове, хімічне, радіоактивне забруднення навколишнього середовища та вичерпність їх запасів. Рівень забруднення атмосфери невпинно зростає, що призводить до руйнування біосфери. І хоча є багато сучасних технологій, що дадуть змогу ще багато років забезпечити людство атомною енергією, однак це не вирішить таких проблем, як зберігання відходів, наслідки від аварій та теплового і радіаційного забруднення.
Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу 1 м?, розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, дорівнює 1367 Вт/м? (сонячна постійна).
Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря - 1020 Вт/м?. Середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два рази менше. Ця кількість енергії з одиниці площі визначає можливості сонячної енергетики.
Перспективи сонячної енергетики також зменшуються внаслідок глобального затемнення - антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.
У середині ХХ ст. використання відновних джерел енергії було незначним, проте енергетична криза 70-х років минулого століття, Чорнобильська катастрофа 1986 року та катастрофа на АЕС "Фукусіма-1" в Японії 2011 року докорінно змінили погляди людства на відновлювальні джерела енергії. Європейська Спільнота вимагає від країн, які прагнуть до неї вступити, збільшення частки відновлювальних джерел енергії в національному виробництві енергії до 6%, а до 2030 року - до 20%. В Україні показник використання альтернативних видів енергії знаходиться на рівні 0,7%. Все це спонукає до інтенсифікації використання сонячної енергії, оскільки вона може ефективно трансформуватись в теплову та електричну і використовуватись для потреб опалення та гарячого водопостачання.
Впродовж останніх десятиліть було сконструйовано та досліджено різноманітні сонячні елементи. Головною метою цих досліджень було підвищення коефіцієнта корисної дії сонячного елемента та зниження його вартості, оскільки підвищення ефективності, зазвичай, супроводжується зростанням ціни сонячних елементів. Тому доцільним є пошук оптимальних параметрів сонячного елемента, що дасть змогу отримати максимальний коефіцієнт корисної дії за мінімальних економічних затрат.
Сьогодні актуальним є вдосконалення існуючих сонячних елементів та систем сонячної електроенергетики для їх максимальної інтеграції в традиційні системи енергопостачання та широке застосування на практиці. Одним із способів вирішення цього питання є моделювання фотоелектричних перетворювачів, що допоможе прискорити розробку найбільш еффективних рішень та полегшити розробку нових
1.1 Проблема енергозбереження
Неефективне використання енергетичних ресурсів, споживання та експорт легкодоступної нафти, неекономне використання електроенергії підприємствами чи домогосподарствами змушують серйозно замислитись над проблемою енергозбереження у країні.
Енергетичний сектор економіки України потребує особливої уваги як з боку держави, так й індивідів. Важливим є використання альтернативних джерел енергії, пошук нових шляхів, способів постачання її державі.
Енергосистема України навіть за наявності палива не може достатньо забезпечити споживачів тими обсягами енергії, який вони потребують.
Закони України «Про енергозбереження», «Про енергетику» та «Про енергопостачання», законодавчі акти Верховної ради України, хоча і порушують проблему енергетики, проте на практиці особливих позитивних зрушень не виявляють.
Пошуки нових шляхів видобутку енергетичних ресурсів та збереження енергії розглядаються у працях таких дослідників, кандидатів економічних наук, вчених як О.П. Романюка, О.Є. Перфілоса, С.М. Срібнюка та інших.
Хоча і праці вище названих дослідників є важливим внеском у розв'язання енергетичної проблеми, проте значна частина з них має лише теоретичне значення. На практиці через брак коштів, кризу платежів, необґрунтовану амортизаційну політику, вони, на жаль, не були втілені в життя, а спроби їх реалізації не мали позитивного завершення.
Рівень розвитку енергетики має визначальний вплив на стан економіки в країні в цілому.
Для того, щоб вирішити питання альтернативної енергетики, необхідно:
- прийняти такий законодавчий акт як закон України «Про енергоефективність», тобто дещо коректувати закон «Про фльтернативні джерела енергії»;
- необхідно внести зміни до закону «Про оподаткування прибутку підприємств»;
- насамперед вдосконалення потребує закон «Про комерційний облік ресурсів, передача яких здійснюється мережами».
- запроваджувати сучасні прилади та пристрої, які економлять енергію
У сучасних умовах держава має унікальне географічне та геополітичне значення та виступає транспортером паливно-енергетичних ресурсів.
Однак для забезпечення максимально ефективного розвитку економіки та підвищення якості життя населення до світових стандартів слід вирішити такі проблеми як:
- Недостатній рівень забезпечення власними паливно-енергетичними ресурсами і значна кількість імпортованих ресурсів;
- Необхідність створення стратегічних запасів для забезпечення енергетичної незалежності України;
- Високий рівень зношеності енергетичної інфраструктури та необхідність модернізації та реконструкції основних фондів;
- Недостатній рівень використання альтернативних видів палива та нетрадиційних джерел енергії;
- Високий рівень витрат енергоресурсів при їх виробництві, транспортуванні та споживанні, впровадження новітніх технологій, раціоналізація структури суспільного виробництва.
Для вирішення вищеподані проблем слід сформувати якісну стратегію щодо їх подолання, реформувати ПЕК відповідно до ринкових умов господарювання.
Перші кроки до зміни та модернізації були зроблені з прийняттям «Енергетичної стратегії України на період до 2030 року». Ця подія мала позитивне значення у регулювання енергетики України,адже до її прийняття не було чіткого плану щодо розвитку та функціонування енергетичної галузі. У ній розкрито багато цілей та завдань, напрямків проведення «перебудови».
Окремим розділом виділяють «Пріоритетні напрями та обсяги енергозбереження, потенціал розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії». Згідно з ним фактор енергозбереження є одним із визначальних для енергетичної стратегії України. Від його рівня залежить ефективне функціонування національної економіки.
Відповідно до прийнятої стратегії на даний час основним фактором зниження енергоємності продукції (послуг) в усіх галузях економіки є формування ефективно діючої системи державного управління сферою енергозбереження. Це дозволить, в першу чергу, удосконалити структуру кінцевого споживання енергоресурсів, зокрема, за рахунок подальшого розширення та поглиблення електрифікації в усіх сферах економіки шляхом заміщення дефіцитних видів палива з одночасним підвищенням ефективності виробництва.
Ми ж пропонуємо вирішити питання енергозалежності зниженням рівня її необхідності шляхом впровадження світлодіодних ламп.
1.2 Проблема забруднення навколишнього середовища
Забруднення природного середовища промисловими викидами надає шкідливийдію на людей, тварин, рослини, грунт, будівлі і споруди, знижуєпрозорість атмосфери, підвищує вологість повітря, збільшує кількість днівз туманами, зменшує видимість, викликає корозію металевих виробів.
Під забрудненням навколишнього середовища слід розуміти зміну властивостейсередовища (хімічних, механічних, фізичних, біологічних і пов'язаних зними інформаційних), що відбуваються в результаті природних абоштучних процесів і призводять до погіршення функцій середовища по відношеннюдо будь-якого біологічного або технологічного об'єкту. Використовуючи різніелементи навколишнього середовища у своїй діяльності, людина змінює їїякість. Часто ці зміни виражаються в несприятливому формізабруднення. За масштабами антропогенні зміни стають порівняннимиз природними, а в ряді випадків навіть перевищують їх, про що можна судити з таблиці 1.
Таблиця 1.1 - Надходження в атмосферу (тонн/рік) деяких компонентів, природного і промислового походження
|
Компонент |
Природній |
Промисловий |
|
|
Озон |
2*109 |
Незначні |
|
|
Двоокис вуглецю |
7*1010 |
1,5*1010 |
|
|
Оксид вуглецю |
- |
2*108 |
|
|
Сірчистий газ |
1,42*108 |
7,3*107 |
|
|
Сполуки азоту |
1,4*109 |
1,5*107 |
|
|
Зважені в-ва |
(770…2200)*106 |
(960…2615)*106 |
Природні процеси забруднення мають в природі антиподи, здатні нейтралізувати дію природного забруднювача, а багато речовин,створені людиною, є сторонніми по відношенню до природи.
Природні джерела забруднення зазвичай віддалені від місця існування людини, а антропогенні розташовані в районах концентрації населення.
Основні шляхи вирішення
Збільшення масштабів забруднення атмосфери вимагають швидких іефективних способів захисту її від забруднення, а також способівпопередження шкідливого впливу забруднювачів повітря. Атмосфера можемістити певну кількість забруднювача без прояви шкідливоївпливу, тому що відбувається природний процес її очищення.
Першим кроком у встановленні шкідливого впливу, пов'язаного із забрудненнямповітря, є розробка критерію якості повітря, а також стандартівякості.
Стандарти якості визначають рівні якості повітря і граничнодопустимі викиди (ГДВ), які необхідно витримувати для забезпеченнябезпеки життя.
Контролюючі органи зобов'язані здійснювати кількісний та якіснийконтроль.
Іншим підходом до поліпшення стану атмосфери є вимогазастосування передових технологічних процесів, заміна шкідливих матеріалівнешкідливими, застосування мокрих способів обробки сировини замість сухих.
Як правило, на промислових підприємствах використовуються процеси абопристрої для газоочистки і пиловловлення, щоб зменшити абозапобігти величину викиду. Процеси газоочистки можуть також зруйнуватиабо змінювати його хімічні та фізичні властивості так, що він стаєменш небезпечним
У деяких випадках використовують метод розсіювання в атмосфері. Димовітруби повинні бути досить високими (300-350 метрів), для забезпеченнягарного розведення домішок шляхом обтікання повітря навколо будинків у зоніаеродинамічних тіней. Крім того, необхідно враховувати температурувикидів і місце розташування труб. Підприємства будують з подветреннойсторони по відношенню до житлових районів. На ряді підприємств факельні газивикористовують для опалення будинків, а їх надлишок направляється натеплоцентраль.
Якщо впроваджувати енергозберігаючі технологоіїї або альтернативну енергетику то можна зменшити кількість вуглекислого газу, що викидається у атмосферу.
За масштабами забруднення навколишнього середовища можна розділити на локальний,регіональне та глобальне. Ці три види забруднення тісно пов'язані міжсобою. Як правило, первинним є локальне забруднення, яке, якщошвидкість процесу забруднення більше швидкості природного очищення,переходить до регіонального і потім при накопиченні кількісних змін в глобальну зміну якості навколишнього середовища. Для глобальногозабруднення найбільш важливим є тимчасовий чинник.
Існування таких процесів свідчить про обмеженість ресурсіватмосфери і про межах її природного самовідновлення. Наприклад,використання повітря у виробничих процесах здавна передбачалоприродні здібності атмосфери до відновлення первинних якостей.
Зокрема, димові викиди в атмосферу, що містять мікрочастинки ітоксичні речовини, являють собою не що інше, як метод розведення.
І навіть у наші дні при будівництві висотних і сверхвисотних трубпродовжують користуватися цим стародавнім методом. Однак різке зростанняобсягів викидів призвело до того, що масштаби забруднення впритулнаблизилися і навіть часто переступають межі самовідновленняатмосфери.
При сучасних рівнях забруднення шкідливі речовини від джерелазабруднення поширюється на десятки й сотні кілометрів. І навіть самепоняття джерело забруднення кілька змінює зміст. Якщо в якому-небудьпромисловому районі можна виділити точкові джерела забруднення, то вмасштабі регіону цілий промисловий район, наприклад велике місто, можерозглядатися як єдине джерело з системою точкових, лінійних (автомагістралі) і групових джерел. Більше того, навіть весь регіон інавіть ціла країна може виступати в ролі єдиного джерела забруднення.
Сучасне індустріальне виробництво робить значнийвплив на природу в глобальних масштабах. Хоча більша частиназабруднюючих речовин і теплової енергії виробляється на обмеженійплощі, головним чином у промислових районах Північної Америки, Європи та
Азії, внаслідок особливостей циркуляції атмосфери і переміщень у водномуоболонці Землі значна частина деяких, відносно довго живутьзабруднюючих речовин розсіюється на величезних просторах і навіть по всій
Землі, приводячи до регіонального та глобального забруднення.
До теперішнього часу визначилися деякі важливі проблеми в областіантропогенного глобального забруднення навколишнього природного середовища, до числаяких відносяться:
1. Можливі зміни клімату у зв'язку з надходженням в атмосферу техногенного тепла, вуглекислого газу і аерозольних домішок.
2. Можливе порушення озонового шару Землі, пов'язане з надходженням в атмосферу фреонів, окислів азоту та деяких інших домішок.
3. Екологічні наслідки глобального забруднення природного середовища та біосфери радіоактивними речовинами, важкими металами і пестицидами.
4. Загальна проблема морського середовища атмосферними опадами, річковим стоком, наземним і морським транспортом.
5. Далекий атмосферне перенесення забруднюючих речовин і проблема кислотних опадів.
Таким чином, масштаби антропогенного впливу на навколишнє середовище ірівень випливає з цього небезпеки змушують шукати нові підходи дорозвитку технологічних процесів, які, будучи не менш ефективнимив економічному сенсі, у багато разів перевершували б існуючі поступеня екологічної чистоти. Фактично суперечність між економікою іекологією означає протиріччя між необхідністю гармонійного розвиткусистеми природа-людина-виробництво і недостатньою об'єктивноїможливістю, а часом і просто суб'єктивним небажанням такої гармонії насучасному етапі розвитку виробничих сил і виробничихвідносин.
2. Перетворення сонячного світла
2.1 Природа і спектральний склад сонячного світла
спектральний напівпровідниковий електричний кремній
Більшість поновлюваних видів енергії - гідроенергія, механічна і теплова енергія світового океану, вітрова та геотермальна енергія - характеризуються або обмеженим потенціалом, або значними труднощами широкого використання. Сумарний потенціал більшості нині використовуваних поновлюваних джерел енергії дозволить збільшити споживання енергії з нинішнього рівня всього лише на порядок. Але існує ще одне джерело енергії - Сонце. Сонце, зірка спектрального класу 2, жовтий карлик, дуже середня зірка за всіма своїми основними параметрами: масі, радіусу, температурі і абсолютною величиною. Але, ця зірка має одну унікальну особливість - це "наша зірка", і людство зобов'язане всім своїм існуванням цієї "середньої" за астрономічними поняттями зірці. Наше світило поставляє Землі потужність близько 2·1017 Вт - така "сила сонячного зайчика" діаметром 12.7 тис. км, який постійно висвітлює звернену до Сонця бік нашої планети. Інтенсивність сонячного світла на рівні моря в південних широтах, коли Сонце в зеніті, становить порядку 1 кВт/м2. При розробці високоефективних методів перетворення сонячної енергії Сонце може забезпечити бурхливо зростаючі потреби в енергії протягом багатьох років [2,3].
Зовні Сонце являє собою газоподібний кулю радіуса 6955000 км з масою 1.98*1030 кг. Таким чином, щільність солнечного речовини становить 1.4 г/см3, що ненабагато більше щільності води. Найбільш поширені елементи на Сонці: водень (близько 70 маси Сонця) і гелій (більше 28), усього ж спектральний аналіз сонячного випромінювання встановив наявність на Сонці більше 70 різних хімічних елементів. Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція [3,4]
(2.1)
яка можлива завдяки величезному тиску, під яким знаходиться водень усередині Сонця. Кожну секунду приблизно 6*1011 кг H перетворюється в He. Дефект масси 4·1.008 г (Н) = 4.003 г (Не) + 0.029 г при цьому скалдає 4·109 кг, що призводить відповідно до співвідношення Ейнштейна Е=mc2 до виділення енергії, що становить близько 3.8·1026 Дж:
, (2.2)
де c = 3*108 мс - швидкість світла.
Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагніт-ного випромінювання в діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного. 99% енергії випромінювання Сонця припадає на інтервал довжин хвиль 100 - 4000 нм (малюнок 1.10). Повна маса Сонця в даний час складає приблизно 2 * 1030 кг, що має забезпечити його достатньо стабільне існування приблизно з постійним виділенням енергії протягом понад 10 млрд. років.
Загальна потужність Q, яку випромінює Сонце в усіх діапазонах довжин хвиль в навколишній простір, становить 3.8 1026 Вт Однак у навколишньому просторі промениста енергія Сонця розсіюється обернено пропорційно квадрату відстані до об'єкта:
, (2.3)
Для Землі приблизну відстань до Сонця складає 149 500 000 км (1.5 * 1011м), і середня щільність променевої енергії на земній орбіті дорівнює 1370 Вт/м2, ця величина називається сонячної постійної (Ф0).
Сонячний спектр ділять на три області: ультрафіолетову (л <390 нм), на яку приходиться 9% від усієї випромінюваної енергії; видиму (390 < л < 760 нм), - 4 7% всієї енергії в інфрачервону (л > 760 нм) - 44%. При проходженні через атмосферу сонячне світло послаблюється в основному завдяки поглинанню інфрачервоного випромінювання парами води, поглинанню ультрафіолетового випромінювання озоном і розсіювання випромінювання знаходяться в повітрі частинками пилу і аерозолями. Показник атмосферного впливу на інтенсивність сонячного випромінювання, що доходить до земної поверх-ності, визначається "атмосферної масою" (АМ) [6]. "Атмосферна маса" для будь-якого рівня земної поверхні в будь-який момент дня визначається за формулою:
, (2.4)
де у - атмосферний тиск;
у0 - нормальний атмосферний тиск;
? - кут висоти Сонця на горизонтом земної кулі (рис.2.1).
Щільність світлового потоку біля поверхні Землі задається наступною формулою
, (2.5)
де фл - коеффіціент поглинання в атмосфері, що залежить віж довжини хвилі;
m - шлях, який проходят соячні лучі в атомфері;
h - висота атмосфери;
- коеффіціент прозорості, характеризуючий атмосферне поглинання.
У середніх широтах потік сонячної енергії на поверхні Землі варіюється протягом дня від сходу (заходу) до полудня від 32.88 Вт/м2 до 1233 Вт/м2 в ясний день і від 19.2 мкВт/м2 до 822 Вт/м2 в похмурий день.
Рисунок 2.1 - Відстань, що проходить в атмосфері сонячними променями при різних положеннях Сонця над горизонтом
Вельми важливе вироблення єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ. Справа в тому, що спектр сонячного випромінювання зазнає істотні зміни при проходженні атмосфери (рис.1.10). Спектральний склад і щільність потоку сонячного випромінювання біля поверхні Землі змінюються залежно від довжини оптичного шляху світлових променів в атмосфері. Довжина цього шляху характеризується величиною, званої оптичної атмосферної масою m, яка пов'язана з кутом ? залежністю . Якщо Сонце знаходиться в зеніті, то m=1 (умова АМ1), при його видаленні від зеніту оптична атмосферна маса зростає. Крім загального ослаблення інтенсивності сонячного випромінювання спостерігаються додаткові смуги поглинання, які найсильнішим чином залежать від довжини шляху світлових променів в атмосфері і від стану атмосфери (рисунок 1.10). В якості єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ по рекомендації Комісії Європейського співтовариства та Міжнародної електротехнічної комісії при ООН було прийнято умова використання значення атмосферної маси АМ 1.5 с ?= 41.81? (нормальний атмосферний тиск). Для неї щільність потоку сонячного випромінювання береться рівній 835 Вт/м2, що приблизно збігається з середньою інтенсивністю випромінювання на Землі. Згодом було прийнято додаткове рішення, що дозволяє проводити вимірювання параметрів СЕ при спектрі випромінювання, відповідного АМ 1.5 і інтегральної щільності потоку випромінювання 1000 Вт/м2 [8,9]. Спектр АМ 0 визначає роботу сонячних батарей на космічних апаратах. Спектр АМ 1 відповідає сонячному випромінюванню на поверхні Землі, коли Сонце стоїть в зеніті; при цьому повна потужність випромінювання становить близько 925 Вт/м2. Спектр АМ2 реалізується при куті ? = 30 ?. У цьому випадку повна потужність випромінювання дорівнює 691 Вт/м2.
2.2 Непряме енергетичне перетворення сонячного світла
Сонячна енергія, потрапляючи на Землю, зазнає різні перетворення. Частина енергії витрачається на розігрів земної поверхні, інша частина поглинається рослинами, третя - світовим океаном, і так далі. Деяка частина сонячної енергії бере участь у реакціях фотосинтезу, забезпечуючи приплив в атмосферу вільного кисню і утворення органічних сполук з неорганічних мінералів. Утворилися в результаті фотосинтезу органічні сполуки зазнають, згодом, подальші хімічні перетворення, перетворюючись, в кінцевому підсумку, у викопні джерела палива нафту (суміш вуглеводнів), вугілля (органічний вуглець), природний газ (метан CH4).
Рисунок 2.2 - Світове споживання основних енергоресурсів
Можна сміливо стверджувати, що практично вся земна енергетика орієнтована на використання сонячної енергії в її різних проявах. Виняток становлять тільки атомні та геотермальні електростанції. Так, вітрова енергетика зорієнтована на використання рухомих повітряних потоків, що виникають за рахунок нерівномірного прогріву атмосфери Сонцем. Гідроелектростанції використовують для своєї роботи круговорот води в природі, неможливий без випаровування, здійснюваного Сонцем. І навіть енергія припливів може використовуватися тільки за умови рідкого стану гідросфери, що можливо тільки при певному світловому режимі нашого світила. Розподіл по світовому споживанню основних енергоресурсів представлено на малюнку 2.2, звідки можна бачити, що саме видобувін паливні ресурси становлять основу всієї сучасної світової енергетики [1, 4].
Подальші перетворення з метою отримання електроенергії зводяться в разі викопного палива - до спалювання енергоресурсів, що призводить до звільнення акумульованої в них енергії, при використанні вітрової, гідро-і приливної енергій - до перетворення механічної енергії потоків речовини, що виникають завдяки випромінюванню Сонця. Очевидно, що при непрямих перетвореннях втрати енергії, що акумулюється від Сонця, набагато вище. Самі ж запаси цієї енергії (у разі паливних ресурсів) значною мірою обмежені, тому найбільш рентабельним має опинитися саме пряме перетворення сонячної енергії сонячними елементами.
2.3 Пряме енергетичне перетворення сонячного світла
Механізми поглинання свтіла в напівпровіднику
Оптичне випромінювання при взаємодії з кристалом напівпровідника частково поглинається, частково відбивається від його по-поверхні, частково проходить через кристал без поглинання. Частки енергії, що проходить, відбивається і поглинається оцінюють для напівпроводнікових матеріалів відповідними коефіцієнтами. Розрізняють коефіцієнт пропускання
, (2.6)
коэффіціент відбиття
, (2.7)
коеффіціент поглинання
, (2.8)
де Pnp - потужність випромінювання, що пройшло через кристал;
Ротр - потужність випромінювання, відображеного від кристалу;
Рпогл - потужність поглинена кристаллом;
Рпад - потужність випромінювання падаючого на кристал.
Показник поглинання л чисельно дорівнює значенню оберненої відстані від поверхності напівпровідниа, на якому початкова потужність падаючого випромінювання ослабляється в е разів. На глибині x.
, (2.9)
, (2.10)
де Р(х) - потужність випромінювання на глибині х від поверхні кристала.
Залежність коефіцієнта поглинання від довжини хвилі падаючого випромінювання л б називають спектром поглинання. Типовий спектр поглинання показаний на малюнку 2.3 [4]. Ділянка 1 відповідає власному поглинанню. Поглинається на ділянці 1 енергія витрачається на розрив валентної зв'язку і перехід електрона з валентної зони напівпровідника в зону провідності. Цей процес обратен міжзонної рекомбінації. Для перекладу електрона в зону провідності необхідно, щоб енергія поглиненого фотона перевищувала ширину забороненої зони:
, (2.11)
где Eph - енергія падаючого фотона;
Eg - ширина забороненої зони напівпровідника;
h=6.63*10-34 Дж*с - стала Планка;
v - частота єлектромагнітних коливань падаючого світла.
Тому спектр власного поглинання має чітко виражену межу, називаєму червоною границею фотоеффекту:
, (2.12)
Рисунок 2.3 - Типовий спектр поглинання (суцільна крива) і залежність фотопровідності (пунктирна крива) від спектрального складу падаючого світла для напівпровідника: 1 - власне поглинання в напівпровіднику; 2 - непрямі переходи за участю фононів і екситонів; 3, 4 - домішкові поглинання; 5 - граткова поглинання
Із зменшенням довжини хвилі випромінювання в області лГР можуть на спостерігатися непрямі переходи, при яких в поглинанні беруть участь фонони і екситони, яким для іонізації потрібна менша енер гія фотона (ділянка 2 на малюнку 2.3). На величину лгр можуть впливати також температура, зовнішні поля і ступінь легування полупро водника домішками. З підвищенням концентрації домішок лгр зменшується, що обумовлено заповненням енергетичних рівнів поблизу стелі валентної зони або дна зони провідності. З збіль чением температури лгр збільшується, що обумовлено зменшенням ширини забороненої зони для більшості напівпровідників з ростом температури. В електричному полі лгр зміщується в довго хвильову область (ефект Келдиша-Франца); в магнітному полі - в короткохвильову область (розщеплення Ландау).
Ділянки 3 і 4 на малюнку 2.3 відповідають домішкового поглинання-щенію, коли енергія фотона витрачається на іонізацію атомів домішки. Так як енергія іонізації атомів домішки дЕпр « Eg, то спектр примесного поглинання зміщений в інфрачервону область. Електрони атомів домішки можуть перебувати в основному і возбуж дених станах, тому в спектрі поглинання маємо кілька ділянок примесного поглинання (наприклад, 3 і 4).
Екситони поглинання відповідає такому поглинанню енер гії фотона, при якому електрон в валентної зоні не відривається від атома, а переходить в збуджений стан, утворюючи з діркою елек тричні диполь - екситон. Спектр екситонного поглинання складається з вузьких ліній в області лгр (на малюнку 2.3 він не показаний). Ділянка 4 на малюнку 2.3 відповідає гратковий поглинанню, при кото ром кванти світла призводять до генерації фононів і збільшенню тепло вої енергії напівпровідника. Можливо також поглинання випромінювання вільними носіями заряду, пов'язане з їх переходами на інші енергетичні рівні усередині зони. Спектр поглинання при цьому практично безперервний через малого зазору між рівнями зони.
Генерація нових носіїв заряду при опроміненні напівпровідника призводить до зміни його електропровідності - фоторезистом ний ефект. Загальна провідність напівпровідника в цьому випадку може бути задана формулою:
, (2.13)
де = e(n0мn + p0мp) - власна темнова провідність напівпровідника;
?ph - фотопровідність напівпровідника;
мр і мn - рухливість дірок і електронів;
n0 і p0 - равновесные концентрации электронов и дырок;
е = 1.6-10 19 Кл - елементарний електричний заряд.
Ефективність поглинання світла оцінюється квантовим вихо дом напівпровідника nph, задається співвідношенням:
, (2.14)
де - кількість надлишкових носіїв, що виникають у напівпровіднику при поглинанні світла;
Nnozn - число поглинених фотонів [6].
В ідеальному випадку 1, тобто один поглинений фотон генерує одну електронно-дірковий пару.
Фотовольтаїчний ефект в p-n-переході
Сонячний елемент (СЕ) або фотоелектронний перетворювач (ФЕП) дозволяє перетворювати енергію оптичного випромінювання безпосередньо в електроенергію, минаючи стадії теплової та механічної форм енергії. Робота СЕ заснована на внутрішньому фотоефекті в напівпровідниковій структурі з р-п-переходом (гетеропереходом, барєром Шоттки). СЕ найбільш простий конструкції являє собою кристал, що складається з двох шарів різних типів провідності (електронною - n і дірковою-р) (рис.2.4) [2].
Напівпровідник n-типу містить деяку кількість домішкових атомів донорного типу, які при кімнатній температурі практично всі ионизована. Таким чином, в такому напівпровіднику мається п0 вільних рівноважних електронів і така ж кількість нерухомих позитивно заряджених іонів. У дірковому напівпровіднику (напівпровіднику р-типу) реалізується схожа ситуація. У ньому є р0 вільних дірок і стільки ж негативно заряджених іонів.
Рисунок 2.4 - Схема кремнієвого монокристалічного сонячного елемента
Принцип утворення р-п-переходу наочно продемонстрований на малюнку 2.5.
Рисунок 2.5 - Утворення р-п-переходу
При контакті р-і n-областей в них, внаслідок градієнта концентрацій електронів і дірок, виникає дифузійний потік електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу і, навпаки, потік дірок з р-в n-напівпровідник. Електрони, що перейшли з n-області в р-область, рекомбинируют з дірками поблизу кордону розділу. Аналогічно рекомбинируют дірки, перейшовши з р-області в п-область.У результаті поблизу р-п-переходу практично не залишається вільних носіїв заряду (електронів і дірок). Тим самим по обидві сторони від р-п-переходу утворюється сформований нерухомими іонами подвійний заряджений шар (інші назви - шар збіднення або область просторового заряду (ОПЗ)). Електричне поле області просторового заряду протидіє процесу Діффазії основних носіїв заряду з областей віддалених від р-п-переходу в збіднену область. Такий стан є равновесвим і при відсутності зовнішніх збурень може існувати як завгодно довго.
Оптичне випромінювання, що поглинається в напівпровідниковій структурі з р-п-переходом, створює пари "електрон-дірка" за умови, що енергія кванта перевищує ширину забороненої зони. Процесу поділу піддаються носії, що генеруються в збідненої області переходу та прилеглих до неї областях, розміри яких приблизно рівні дифузійній довжині для неосновних носіїв. Тільки з відстані, меншого, ніж дифузійна довжина, неосновної носій встигає в процесі руху досягти ОПЗ до своєї рекомбінації. Неосновні носії, що генеруються в р-і n-областях на більшій відстані від кордону переходу, не потрапляють в збіднену область внаслідок своєї рекомбінації. Поділ зарядів, в даному випадку вбудованим електричним полем р-п-переходу, є, за визначенням, електрорушійна сила (ЕРС). Таким чином, поглинання світла напівпровідникової структурою з р-п-переходом призводить до виникнення фото-ЕРС, а при існуванні зовнішнього ланцюга =струму в цьому ланцюгу.
Виникаючий фотострум пропорційний кількості електронно-доручених пар, синтезованих в результаті поглинання випромінювання, яке в свою чергу пропорційно кількості квантів випромінювання, поглинених в речовині. Розглянемо гомогенний р-п-перехід, у якого товщини р і п областей становлять Ln (дифузійна довжина електронів в р-області) та Lp (дифузійна довжина дірок в п-області), відповідно, відсутні відбиток від тильного контакту і поверхнева рекомбінація. У цьому випадку більшість неосновних носіїв, генерованих світлом, розділяється полем пе рехода. Тоді кількість поглинених фотонів одиничної поверхнею сонячного елемента в одиницю часу можна виразити як:
, (2.15)
де Рпогл =Рпад = Рпад 1-R (1-) - потужність, що поглинається випромінювання.
У разі тонкоплівкових сонячних елементів з поглинаючим шаром товщини l за умови l ? Ln, Lp виникає необхідність врахування відбиття від тильного контакту. Для таких СЕ потужність поглинається випромінювання задається формулою:
, (2.16)
де RmK - коефіцієнт відбиття від тильного контакту ФЕПу.
Для зручності розгляду будемо вважати, що Сонце є абсолютно чорним тілом, спектральна щільність випромінювання которо го підпорядковується формулою Планка:
, (2.17)
де к = 1.38•10-23 Дж/К - стала Больцмана;
T - термодинамічна (абсолютна) температура.
Тоді:
, (2.18)
де RO - відстань від Землі до Сонця;
Rc - радіус Сонця;
vzp=Egjh - червона межа спектру поглинання;
А - коэффіціент поглинання в ФЕП.
2.3 Єквівалентна схема і вольт-амперна характеристика сонячного елемента
Через перехід протікає дрейфовий фотострум нерівноважних неосновних носіїв заряду. Нерівноважні основні носії не можуть подолати потенційний бар'єр переходу і залишаються в області генерації. У результаті поділу оптично генеруються носіїв концентрації дірок в р-області і електронів в n-області підвищуються, що призводить до компенсації об'ємного заряду нерухомих домішкових іонів на межі переходу. Потенційний барь ер переходу зменшується на величину фото-ЕРС, звану напругою холостого ходу при розімкнутому зовнішньому колі. Зниження потенційного бар'єру збільшує струм дифузії основних носіїв через перехід, який спрямований назустріч фотострумів. У стаціонарному стані при при сталості світлового потоку щільність струму дифузії Jdif дорівнює щільності дрейфового струму, що складається з щільності фотоструму Jph і щільності теплового струму переходу J0, тобто виконується умова динамічної рівноваги:
. (2.19)
Рисунок 2.6 - Поділ електронів і дірок в р-п-переході (пунктиром вказані краю енергетичних зон в темряві)
Різниця Jdif - J0 являє собою щільність струму діода і позначається як Jd. В ідеальному р-п-переході щільність струму дифузії і щільність теплового струму пов'язані співвідношенням:
, (2.20)
і тоді:
, (2.21)
де Uос - напруга холостого ходу;
VT = - тепловий потенціал.
Напруга холостого ходу може бути виражене через величи ну фотоструму:
, (2.22)
Однак напруга холостого ходу (при будь-якому значенні Jph) не може перевищувати контактної різниці потенціалів р-n-переходу. В іншому випадку, через повної компенсації електричного поля, поділ носіїв, оптично генеруються полем переходу, припиняється.
Якщо електроди СЕ замкнуті на зовнішнє навантаження, то напруга між ними U буде менше Uoc, і струм діода yt компенсуватиме фотострум. У наближенні ідеального діода для густини струму через зовнішнє навантаження маємо:
, (2.23)
Рівняння (2.23) описує вольт-амперну характеристику (ВАХ) ідеального СЕ (рісунок. 2.7). При висвітленні все точки кривої 1 малюнка 2.7 зсуваються на одну і ту ж величину струму короткого замикання Jsr. Для ідеального СЕ струм короткого замикання Jsc = Jph
Рисунок 2.7 - Вольт-амперна характеристика ідеального солнеч ¬ ного елементу (перший квадрант): 1 - в темряві; 2 - при освітленні
З урахуванням сказаного вище, еквівалентна схема ідеального СЕ являє собою паралельно з'єднані генератор струму і ідеальний діод (риc. 2.8).
Рисунок 2.8 - Еквівалентна схема ідеального сонячного елемента: R - опір навантаження
При виведенні формули (2.23) було використано рівняння для ідеального діода, що не справджується експериментальними результатами. Тому рівняння діода перетворять введенням в знаменник експоненти коефіцієнта A, що враховує неідеальність ВАХ і визначається експериментально [1,2]. Тоді рівняння (2.23) перепишеться таким чином:
(2.24)
Однак і цей вираз ще не достатньо добре узгоджується з експериментом, оскільки СЕ - прилад силовий, тобто передбачений для роботи з досить високими густинами струму, що має наслідком високі падіння різниці потенціалів навіть на малих опорах. Отже, виникає необхідність врахування паралельного опору СЕ Rp (опору витоку, яке в ідеальному СЕ передбачається нескінченно великим) і послідовного опору СЕ Rs [1,2,4]. З урахуванням зроблених зауважень побудована наступна еквівалентна схема СЕ (рис.2.9). Генератор струму моделює виникає при освітленні фотоструму, паралельний йому діод враховує інжекційний струм (струм дифузії і теплової струм). Для реального сонячного елемента послідовний опір R ^ складається з послідовно включених опорів контактних шарів, опорів кожної з р-і-n-областей елемента, перехідних опорів метал-напівпровідник, паралельне опір RP відображає можливі канали витоку струму, паралельні р-п-переходу.
Рисунок 2.9 - Еквівалентна схема сонячного елемента
Перетворимо вираз (2.24) згідно щойно зроблених зауважень. Скористаємося першим законом Кірхгофа:
, (2.25)
Відповідно до закону Ома
JPRP = Uр. (2.26)
Відповідно другому закону Кіргофа
. (2.27)
(2.28)
. (2.29)
Так як різниця потенціалів на діодному переході становить UP, то
. (2.30)
Отримуємо наступне рівняння, досить добре описує ВАХ СЕ [3,4]:
. (2.31)
На рис.2.10 представлений загальноприйнятий спосіб зображення ВАХ СЕ [36,45]. звернемо увагу - рис. 2.10 являють собою перший квадрант рисунка 2.7.
Рисунок 2.10 - Вольт-амперна характеристика сонячного елемента
Еффективність перетвореняя (ККД) фотоелектронного перетворювачата
Найважливіша характеристика СЕ - ККД - визначає ефективність перетворення енергії сонячного випромінювання в електричну енергію [3,7]:
, (2.32)
де Р - потужність падаючого на СЕ сонячного випромінювання, що припадає на одиницю поверхні СЕ;
Рм - максимальна вихідна потужність СЕ, віднесена до площі його поверхні;
ff - коефіцієнт (фактор) наповнення і коефіцієнт форми ВАХ.
, (2.33)
де J і U - щільність струму і напруга, відповідні точці найбільшої потужності Р (рисунок 2.10).
Крім того, у вираз (2.31), яке описує ВАХ ФЕПу, входить ряд параметрів. Ці параметри визначають вид вольт-амперної характеристики ФЕП і, отже, ККД перетворення енергії. Виходячи з практичної важливості параметрів ФЕП, що впливають на його ВАХ, виникає необхідність оптимізації цих параметрів для ефективної роботи ФЕП.
Особливо слід відзначити важливість параметрів, що характеризують ефективність збору носіїв заряду, згенерованих випромінюванням в обсязі ФЕП. Так, на ефективність роботи ФЕП істотний вплив роблять дифузійні і рекомбінаційні характеристики конкретного приладу.
Вплив на ККД температури і рівня освітленості
ВАХ СЕ і що віддається ними потужність сильно залежать від робочої температури. Відповідну зміну ККД становить великий інтерес, оскільки робоча температура може змінюватися в широкому інтервалі значень, особливо при експлуатації СЕ в космосі. Наприклад, до помітного зменшення спектральної чутливості кремнієвих СЕ в довгохвильовій області спектра (і деякому зростанню в короткохвильового) приводить пониження їх температури (див. рис.2.11).
Важливе теоретичне і практичне значення мають також за-лежно від рівня освітленості. Широке використання концен-Тратор випромінювання та необхідність пошуку для них найбільш еконовів вигідною конструкції ініціюють наукові дослідження в цьому напрямку. Якщо звернутися до рівняння (2.31), опісивающему ВАХ СЕ, то можна в першому наближенні представити залежно ¬ сті струму короткого замикання і напруги холостого ходу від рівня освітленості (див. рисунок 2.12).
Незважаючи на те, що в ряді випадків зроблені припущення можуть порушуватися, отримані залежності досить коректні і в повною мірою відображають загальну динаміку розглянутих характеристик зі зміною рівня освітленості.
Вплив на ККД послідовного та паралельного опорів
Послідовне і паралельне опору роблять безпосередній вплив на ефективність перетворення СЕ.
Дійсно, параметри Rs (послідовний опір) і Rp (паралельне опір), поряд з параметрами J0, T, A, J ї, входять у вираз (2.31) для ВАХ СЕ. ККД ж безпосередньо свя ¬ зан з формою ВАХ (див. вирази (2.32) і (2.33)). На малюнку 2.14 представлено кілька ВАХ з різними значеннями параметрів Rs і Rp.
Спектральна чутливість сонячного елемента
СЕ призначений для перетворення енергії оптичного випромінювання з конкретним спектральним складом - спектральним складом сонячного випромінювання - в електроенергію. У зв'язку з цим важливою характеристикою СЕ є його спектральна чутливість. Під спектральної чутливістю СЕ розуміється залежність струму короткого замикання (фотоструму, напруги холостого ходу) від довжини хвилі падаючого монохроматичного випромінювання, нормована на одиницю енергії падаючого випромінювання даної довжини хвилі.
Для розуміння причин спектральної селективності СЕ розглянемо генерацію фотоструму в СЕ. Оптичні випромінювання різних довжин хвиль проникають на різну глибину (малюнок 2.15) і створюють свій розподіл народжених світлом пар електрон-дірка. Тому вели-чину фотоструму визначаться спектральним складом падаючого ізлу-чення і просторовим розташуванням області збідніння - як було зазначено вище, електричне поле р-п-переходу поділяє електрони і дірки, згенеровані як в шарі збіднення, так і на-ходячи не далі дифузійної довжини від області просторового заряду. Дійсно, неосновні носії заряду, що генеруються в межах дифузійної довжини від області просторового заряду (ОПЗ), можуть дифундувати в цю область і розділяться електричним полем.
В СЕ можна виділити три області, відповідальні за генерацію фотоструму. Тоді щільність фотоструму:
, (2.34)
що виник внаслідок генерації носіїв у СЕ, складається з трьох доданків:
1. Щільність струму дірок, народжених в області 1 і досягли ОПЗ Jp;
2. Щільність струму електронів, народжен. в області 3 і досягли ОПЗ Jn;
3.Щільність струму носіїв, породжених усередині збідненого шару, тобто в області 2 JscR.
Вважаючи, що СЕ має різкий р-п-перехід, знайдемо вирази для Jp, Jn и JscR. р-п- перехід вважається різким, якщо він має профіль легування, представлений на рисунку 2.17.
, (2.35)
де F = F л - щільність потоку падаючих фотонів в одиничному спектральному інтервалі;
r = r л - частка фотонів, що відбиваються від поверхні в одиничному спектральному інтервалі;
б = б л - показник поглинання.
Знайдемо вираз для J. При низькому рівні збудження (дана умова дозволяє вважати швидкість рекомбінації нерівноважних носіїв ос nр-nрО в p-типі) одномірне стаціонарне рівняння безперервності для электронов (в р-типе), має вигляд:
, (2.36)
де n - концентрація вільних електронів;
n0 - рівноважна концентрація вільних електронів;
Dn - коефіцієнт дифузії електронів;
gn - швидкість генерації електронів на одиницю опромінюваної поверхні.
Рисунок 2.17 - Профіль легування різкого р-п-переходу [3]: штрихуванням позначена область збіднення
Щільність струму електронів визначається виразом
, (2.37)
де цп - рухливість електронів;
Е - напруженість електростатичного поля.
Підставами останній вираз в рівняння безперервності і покладемо Е = 0. Це дійсно для різкого p-n-перехода. Отримаємо наступне:
. (2.38)
. (2.39)
Згідно з літературними джерелами [3,4], при граничних умовах:
, (2.40)
, (2.41)
де S - швидкість поверхневої рекомбінації електронів, маємо:
Вираз для густини струму дірок з p-шару в моделі різкого р-n-переходу може бути отримано аналогічно вираженню (2.42) [3]:
де D - коэффіціент диффузії;
Sp - швидкість поверхневої рекомбінації дірок.
Матеріали для формування фотоперетворювачів
Перш ніж почати перерахування матеріалів, використовуваних для виробництва СЕ, хочеться відзначити суперечливість основного критерію вибору светопоглощающего матеріалу для СЕ. Цим критерієм є ширина забороненої зони матеріалу ? [2,3,4]. Дійсно, з одного боку зменшення ? дозволяє корисно ісползовать більшу частину спектру випромінювання, тобто підвищується величина фотоструму, отже, і струму короткого замикання, що призводить до збільшення ККД (див. вираз (2.32)). З іншого боку, зменшення ? прямо веде до зниження напруги холостого ходу, від величини якого також залежить ККД перетворення (див. Вира-ються (2.32)). Залежність теоретично досяжного ККД гомогенного СЕ від ширини забороненої зони поглинаючого матеріалу представлена на малюнку 2.19.
Класичним матеріалом фотовольтаїки є монокристалічний кремній [4], однак виробництво структур на його основі - процес технологічно складний і дорогий. Тому останнім часом все більше уваги приділяється таким матеріалами, як аморфний кремній (a-Si: H), арсенід галію і полікристалічні напівпровідники [4,7,8,5].
Аморфний кремній виступає як більш дешевої аль-тернатіви монокристалічних. Перші СЕ на його основі були створені в 1975 році. Поглинання оптичного випромінювання в аморфному кремнії в два десятки разів ефективніше, ніж у кристалічному.
Рисунок 2.18 - Залежність максимального коефіцієнта корисної дії сонячного елемента від ширини забороненої зони матеріалу (T = 25 °С) [8]: CIS - CuInSe2, CIGS - Cu(In,Ga)Se2, CIGSS - Cu(In,Ga)(S,Se)2
Тому для істотного поглинання видимого світла достатньо плівки а-Sifl товщиною 0.5 - 1.0 мкм замість дорогих кремнієв 300-мкм підкладок. Крім того, завдяки існуючим технологіям отримання тонких плівок аморфного кремнію великої площі не потрібно операцій різання, шліфування й полірування, необ ¬ хідних для СЕ на основі монокристалічного кремнію. Порівня ¬ рівняно з полікристалічними кремнієвими елементами, вироби на основі a-Sifl роблять при більш низьких температурах (300 ° С) - можна використовувати дешеві скляні підкладки, що скорочує витрату кремнію в 20 разів. Поки що максимальний ККД експери ¬ них елементів на основі а-Sifl - 12% - несколько нижче ККД кристалічних кремнієвих СЭ (~15%). Однак не виключено, що з розвитком технології ККД елементів на основі а-Sifl досягне теоретичної межі стелі - 16%. Арсенід галію - один з найбільш перспективних матеріалів для створення високоефективних сонячних батарей. Це пояснює ¬ ся наступними його особливостями:почти деальна для багатоперехідних сонячних елементів ширина забороненої зони 1.43 эВ;
Подобные документы
Види оптичних втрат фотоелектричних перетворювачів. Спектральні характеристики кремнієвих ФЕП. Відображення в інфрачервоній області спектру ФЕП на основі кремнію. Вимір коефіцієнта відбиття абсолютним методом. Характеристика фотометра відбиття ФО-1.
курсовая работа [3,6 M], добавлен 17.11.2015Огляд схем сонячного гарячого водопостачання та їх елементів. Розрахунок основних кліматичних характеристик, елементів геліосистеми та кількості сонячних колекторів, теплового акумулятора, розширювального бачка, відцентрового насоса, теплообмінників.
дипломная работа [2,5 M], добавлен 27.01.2012Виробництво електроенергії в Україні з відновлюваних джерел. Конструкції сонячних колекторів, параметри і характеристики. Методика розрахунку характеристик сонячного колектора. Тривалість періоду після сходу Сонця. Температура поглинальної пластини.
курсовая работа [3,1 M], добавлен 14.05.2013Розрахунок енергетичних характеристик і техніко-економічних показників системи сонячного теплопостачання для нагріву гарячої води. Схема приєднання сонячного колектора до бака-акумулятора. Визначення оптимальної площі поверхні теплообмінника геліоконтури.
контрольная работа [352,2 K], добавлен 29.04.2013Вибір та розрахунок елементів схеми для сонячного гарячого водопостачання; проект геліоколектора цілорічної дії. Розрахунок приходу сонячної енергії на поверхню, баку оперативного розходу води, баку акумулятора, теплообмінників, відцентрового насосу.
дипломная работа [823,4 K], добавлен 27.01.2012Класифікація напівпровідникових матеріалів: германія, селену, карбіду кремнію, окисних, склоподібних та органічних напівпровідників. Електрофізичні властивості та зонна структура напівпровідникових сплавів. Методи виробництва кремній-германієвих сплавів.
курсовая работа [455,9 K], добавлен 17.01.2011Теплові процеси в елементах енергетичного обладнання. Задача моделювання теплових процесів в елементах енергетичного обладнання в спряженій постановці. Математична модель для розв’язання задач теплообміну стосовно елементів енергетичного обладнання.
автореферат [60,0 K], добавлен 13.04.2009Переваги та недоліки сонячних електростанцій різних типів, перспективні технології для покращення роботи як сонячних елементів, так і сонячних електростанцій. Аналіз розвитку малої енергетики у світі та в Україні на основі відновлюваних джерел енергії.
статья [635,5 K], добавлен 22.02.2018Основні параметри сонячних перетворювачів. Сучасний стан нормативного забезпечення випробувань сонячних елементів та колекторів. Комбіновані теплофотоелектричні модулі, відображення сигналу на екрані осцилографа. Відображення форм хвилі постійного струму.
курсовая работа [11,0 M], добавлен 26.06.2019Ознайомлення з пакетом схемотехнічного моделювання Simulink. Особливості складання схем, використання основних вимірювальних приладів. Складання однофазного простого електричного кола. Вимірювання миттєвого, діючого значеня струмів та напруг на елементах.
лабораторная работа [1,8 M], добавлен 29.03.2015
