Характеристика солнечного элемента

Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характеристики освещенного p-n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При положительном напряжени смещения фототок 1ф вычитается из «темнового» тока p-n-перехода, а при отрицательном – суммируется с ним.

Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротивления нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпадает с направлением Iф , а сам ток нагрузки Iн равен результирующему току через p–n-переход.

Выражение описывает нагрузочную вольт-амперную характеристику освещенного p-n-перехода.
При известных параметрах нагрузочной ВАХ и заданном значении RH величины 1Н и UH находятся методом последовательных приближений при совместном решении и либо графически, как это сделано на рис. 3.3.1, а. Если RH мало, пересечение графиков происходит на горизонтальном участке нагрузочной ВАХ, т.е. на участке, где «темновым» током через p-n-переход можно пренебречь по сравнению с фототоком. По мере увеличения RH ток через нагрузку уменьшается, т.к. с увеличением прямого смещения p-n-переход как бы шунтирует нагрузку.

Т. о., освещенный p-n-переход в соответствии с выражением может быть представлен в виде эквивалентной схемы. Здесь источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p-n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный р-п-переход. При варьировании RH фототок перераспределяется между нагрузкой и р-n- переходом.

В режимах короткого замыкания и холостого хода Р = О, поскольку либо UH, либо 1Н равны нулю.

2.4. Конструкции и материалы солнечных элементов

Производство структур на основе монокристаллического кремния – процесс технологически сложный и дорогостоящий. Поэтому внимание было обращено на такие материалы, как сплавы на основе аморфного кремния (a-Si:H), арсенид галлия и поликристаллические полупроводники.

Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому. Первые СЭ на его основе были созданы в 1975 году. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки а-Si:Н толщиной 0,5–1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. Кроме того, благодаря существующим технологиям получения тонких пленок аморфного кремния большой площади не требуется операции резки, шлифовки и полировки, необходимых для СЭ на основе монокристаллического кремния. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе a-Si:Н производят при более низких температурах (300°С): можно использовать дешевые стеклянные подложки, что сократит расход кремния в 19 раз.

Пока максимальный КПД экспериментальных элементов на основе а-Si:Н – 12% – несколько ниже КПД кристаллических кремниевых СЭ (~15%). Однако не исключено, что с развитием технологии КПД элементов на основе а-Si:Н достигнет теоретического потолка – 16 %.

Арсенид галлия – один из наиболее перспективных материалов для создания высокоэффективных солнечных батарей. Это объясняется следующими его особенностями:

- почти идеальная для однопереходных солнечных элементов ширина запрещенной зоны 1,43 эВ;

- повышенная способность к поглощению солнечного излучения: требуется слой толщиной всего в несколько микрон;

- высокая радиационная стойкость, что совместно с высокой эффективностью делает этот материал чрезвычайно привлекательным для использования в космических аппаратах;

- относительная нечувствительность к нагреву батарей на основе GaAs;

- характеристики сплавов GaAs с алюминием, мышьяком, фосфором или индием дополняют характеристики GaAs, что расширяет возможности при проектировании солнечных элементов.

Главное достоинство арсенида галлия и сплавов на его основе – широкий диапазон возможностей для дизайна СЭ. Фотоэлемент на основе GaAs может состоять из нескольких слоев различного состава. Это позволяет разработчику с большой точностью управлять генерацией носителей заряда, что в кремниевых солнечных элементах ограничено допустимым уровнем легирования. Типичный солнечный элемент на основе GaAs состоит из очень тонкого слоя AlGaAs в качестве окна.

Основной недостаток арсенида галлия – высокая стоимость. Для удешевления производства предлагается формировать СЭ на более дешевых подложках; выращивать слои GaAs на удаляемых подложках или подложках многократного использования.

Поликристаллические тонкие пленки также весьма перспективны для солнечной энергетики. Чрезвычайно высока способность к поглощению солнечного излучения у диселенида меди и индия (CuInSe2) – 99 % света поглощается в первом микроне этого материала (ширина запрещенной зоны – 1,0 эВ) [2,5]. Наиболее распространенным материалом для изготовления окна солнечной батареи на основе CuInSe2 является CdS. Иногда для улучшения прозрачности окна в сульфид кадмия добавляют цинк. Немного галлия в слое CuInSe2 увеличивает ширину запрещенной зоны, что приводит к росту напряжения холостого хода и, следовательно, повышению эффективности устройства. Один из основных способов получения CuInSe2 – электрохимическое осаждение из растворов CuSO4, In2(SO4)3 и SeO2 в деионизованной воде при соотношении компонентов Cu:In:Se как 1:5:3 и pH>>1,2–2,0.

Теллурид кадмия (CdTe) – еще один перспективный материал для фо-товольтаики. У него почти идеальная ширина запрещенной зоны (1,44 эВ) и очень высокая способность к поглощению излучения. Пленки CdTe достаточно дешевы в изготовлении. Кроме того, технологически несложно получать разнообразные сплавы CdTe c Zn, Hg и другими элементами для создания слоев с заданными свойствами.

Подобно CuInSe2, наилучшие элементы на основе CdTe включают гетеропереход с CdS в качестве оконного слоя. Оксид олова используется как прозрачный контакт и просветляющее покрытие. Серьезная проблема на пути применения CdTe – высокое сопротивление слоя p-CdTe, что приводит к большим внутренним потерям. Но она решена в p-i-n-структуре с гетеропереходом CdTe/ZnTe. Пленки CdTe обладают высокой подвижностью носителей заряда, а солнечные элементы на их основе – высокими значениями КПД, от 10 до 16%.

Среди солнечных элементов особое место занимают батареи, использующие органические материалы. Коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе диоксида титана, покрытого органическим красителем, весьма высок – ~11 %. Основа солнечны элементов данного типа – широкозонный полупроводник, обычно TiO2, покрытый монослоем органического красителя. Принцип работы элемента основан на фотовозбуждении красителя и быстрой инжекции электрона в зону проводимости TiO2. При этом молекула красителя окисляется, через элемент идет электрический ток и на платиновом электроде происходит восстановление трииодида до иодида. Затем иодид проходит через электролит к фотоэлектроду, где восстанавливает окисленный краситель.

 
Интересная статья? Поделись ей с другими:

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить

солнце

Эксплуатация солнечных батарей

Самодельные солнечные батареи | Воскресенье, 6 Февраля 2011

Практические испытания солнечных батарей...

Самодельная солнечная батарея

Самодельные солнечные батареи | Среда, 1 Февраля 2012

Начинаю свой проект по...

Монтаж солнечных панелей

Самодельные солнечные батареи | Суббота, 12 Февраля 2011

При монтаже, солнечные панели...

Солнечную батарею сделать своими руками

Самодельные солнечные батареи | Понедельник, 6 Февраля 2012

Солнечные батареи своими руками...

Солнечные батареи и аккумуляторы

Самодельные солнечные батареи | Воскресенье, 6 Февраля 2011

На первых спутниках Земли...

Инвертор

Самодельные солнечные батареи | Вторник, 4 Января 2011

   Инвертор превращает постоянный ток...

ветер

Ветроустановка своими руками

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 7 Февраля 2012

Автор: Евгений ВасильевичЯ сделал...

5-метровый самодельный ветрогенератор (Часть 4)

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 20 Марта 2012

Предыдущая часть здесьСхема проводки простая...

5-метровый самодельный ветрогенератор (Часть 2)

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 20 Марта 2012

Начало этой статьи можете найти...

Самодельный ветрогенератор

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 4 Января 2011

Хочу предложить читателям интересное на...

Самодельный ветряк с лопастями из алюминиевой трубы

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 7 Февраля 2012

Автор: Бурлака Виктор Афанасьевич.Самодельный ветряк. Я...

Ветроустановка 3.1м

Самодельные ветрогенераторы | Вторник, 7 Февраля 2012

Данная установка планировалась как...