Изучение солнечных фотоэлектрических элементов

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект)

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) был открыт фран­цузским ученым А.Э. Беккерелем в 1839 году и основан на спо­собности токопроводящих материалов испускать электроны под действием электромагнитного излучения, в том числе и света. Три основных закона фотоэффекта можно сформулировать сле­дующим образом [3]:

• Сила фототока прямо пропорциональна плотности элек­тромагнитного излучения.
• Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой электромагнитного из­лучения и не зависит от его интенсивности.
• Для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота электромагнитного излучения, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта часто­та и соответствующая длина волны называются красной границей фотоэффекта.

Фотоэффект проявляется в фотоэлектрической системе, напрямую преобразующей солнечную энергию в электричество. Для работы фотоэлектрической системы необходим дневной свет. Фотоэлектрические системы не должны обязательно нахо­диться под прямыми солнечными лучами, так что даже в пасмур­ные дни фотоэлектрические панели могут вырабатывать некото­рое количество электроэнергии.

Простейшая конструкция фотоэлектрического или солнечного элемента (СЭ) - прибора для преобразования энергии солнечного излучения - на основе монокристаллического кремния показана на рис. 1.4.

На малой глубине от поверхности кремниевой пластины р-ти- па сформирован р-и-переход с тонким металлическим контактом; на тыльную сторону пластины нанесен сплошной металлический контакт.

Пусть />-«-переход расположен вблизи от освещаемой по­верхности полупроводника. При использовании солнечного эле­мента в качестве источника электроэнергии к его выводам долж­но быть подсоединено сопротивление нагрузки R_H. Рассмотрим сначала два крайних случая: R_H=0 (режим короткого замыкания) и Д_н = оо (режим холостого хода). Зонные диаграммы для этих режимов изображены нарис. 1.5а, б [3].

В первом случае зонная диаграмма освещенного ^-«-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения сме­щения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между п- и /^-областями. Однако через />-«-переход и внешний проводник течет ток, вызванный фотоге­нерацией электронно-дырочных пар в р-области. Фотоэлектроны, образовавшиеся в непосредственной близости от области объем­ного заряда, увлекаются электрическим полем /^-«-перехода и попадают в «-область.

Рис. 1.5. Зонные энергетические диаграммы /ь-я-перехода при освеще­нии в разных режимах:

а - короткого замыкания; б - холостого хода; в - включения на сопротив­ление нагрузки

Остальные электроны диффундируют к /7-«-переходу, стара­ясь восполнить их убыль, и в итоге также попадают в «-область. В «-области возникает направленное движение электронов к тыльному металлическому контакту, перетекание во внешнюю цепь и в контакт с /7-областью. На границе контакта с /7-областью происходит рекомбинация подошедших сюда электронов с фото- генерированными дырками.

При разомкнутой внешней цепи /?-«-перехода (рис. 1.5б) фо­тоэлектроны, попадая в «-область, накапливаются в ней и заря­жают её отрицательно. Оставшиеся в р-области избыточные дыр­ки заряжают /7-обласгь положительно. Возникающая таким обра­зом разность потенциалов является напряжением холостого хода (U_xx), полярность которого соответствует прямому смещению /т-«-перехода.

Поток генерированных светом носителей образует фототок (/ф). Величина его равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через />—«-переход в единицу времени. При нулевых
внутренних омических потерях в солнечном элементе режим ко­роткого замыкания (рис. 1.5а) эквивалентен нулевому напряже­нию смещения р-и-перехода, поэтому ток короткого замыкания (/_кз) равен фототоку (7_Ф). В режиме холостого хода (рис. 1.5б) фо­тоток уравновешивается «темновым» током (7_Х) - прямым током через р-я-переход, возникающим при напряжении смещения (U_xx). «Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неоснов­ных носителей тока (в данном случае электронов в р-области). При рекомбинациях потенциальная энергия электронно-дыроч­ных пар выделяется либо излучением фотонов с hv^E_g, либо рас­ходуется на нагревание кристаллической решетки (рис. 1.5б). Та­ким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквива­лентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.

Если к р-н-переходу подключить варьируемое сопротивление нагрузки (рис. 1.5в), то направление тока в ней всегда совпадает с направлением фототока (7_Ф), а сам ток нагрузки (7_Н) равен резуль­тирующему току через р-н-переход. Нагрузочную вольт- амперную характеристику (ВАХ) освещенного р-н-перехода (рис. 1.6) можно записать как [3]:

(1.1)

где и_н - напряжение на нагрузке, равное напряжению на р~п-пе­реходе, В; 7_Н - ток нагрузки, А; 7₀ - ток насыщения, А; 7_ф - фото­ток, А; к - постоянная Больцмана, 1,38Т0'²³ Дж/К; Т - абсолют­ная температура, К; q - величина заряда электрона.

Максимальная мощность отбирается в том случае, когда сол­нечный элемент находится в режиме, отмеченном точкой а на рис. 1.6

Рис. 1.6. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента

Максимальная мощность, снимаемая с единицы площади сол­нечного элемента, вычисляется по формуле [3]:

Р          = U • I              = FF • I • U                          И 21

¹ max ^тмм -*тмм ^{1 1 1} кз ^хх?                                                              V¹ )

где и_тмм - напряжение в точке максимальной мощности (точка а, рис. 1.6), В; /_тмм - ток в точке максимальной мощности (точка а, рис. 1.6), A; FF - коэффициент заполнения вольт-амперной ха­рактеристики; /_кз - ток короткого замыкания, A; U_xx - напряже­ние холостого хода, В.

Характеристики солнечного элемента

• Напряжение холостого хода - это максимальное напряже­ние, создаваемое солнечным элементом, возникающее при нуле­вом токе (рис. 1.7). Оно равно прямому смещению, соответству­ющему изменению напряжения ^-/7-перехода при появлении све­тового тока. Напряжение холостого хода обычно обозначается и_хх или V_oc. Напряжение холостого хода монокристаллических солнечных элементов высокого качества достигает 730 мВ при условии AMI.5. В коммерческих устройствах оно обычно нахо­дится на уровне 600 мВ. Напряжение холостого хода солнечного элемента мало меняется при изменении освещенности.

Рис. 1.7. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и напряжение холостого хода

• Ток короткого замыкания - это ток, протекающий через солнечный элемент, когда напряжение равно нулю (то есть когда солнечный элемент замкнут накоротко) (рис. 1.8). Ток короткого замыкания обычно обозначается /_кзили I_sc. Он возникает в ре­зультате генерации и разделения сгенерированных светом носи­телей. В идеальном солнечном элементе при условии умеренных резистивных потерь он равен световому току. Поэтому ток ко­роткого замыкания можно считать максимальным током, кото­рый способен создать солнечный элемент. Кроме того, он прямо пропорционально зависит от интенсивности света.
• На практике солнечный элемент работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучшее их сочетание называется точкой максимальной мощно­сти (ТММ), соответствующие напряжение и ток обозначаются

^ТММ И ^ТММ •
Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента (fill factor, FF). Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода - это максимальные ток и напряжение, которые можно получить от солнечного элемента. Однако, при напряжении холостого хода и токе короткого замы­кания мощность солнечного элемента равна 0.

Рис. 1.8. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и ток короткого замыкания

Коэффициент заполнения - параметр, который в сочетании с напряжением холостого хода и током короткого замыкания опре­деляет максимальную мощность солнечного элемента. Он вычис­ляется, как отношение максимальной мощности солнечного эле­мента к произведению напряжения холостого хода и тока корот­кого замыкания:

рр _ (^ТММ ^-/тмм)                                         /1 оч

(/кз-t/xx) ’                                   ^ ' ⁾

где (/тмм ^_ напряжение в точке максимальной мощности (ТММ), В; /тмм ^{- ток в} ТММ, A; U_xx - напряжение холостого хода, В; /_кз - ток короткого замыкания, А.

Графически коэффициент заполнения представляет собой ме­ру квадратичности солнечного элемента и равен максимальной
площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-ам­перную кривую (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Графическое представление коэффициента заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента

Так как коэффициент заполнения является мерой квадратичности вольт-амперной кривой, солнечный элемент с более высо­ким напряжением будет иметь и более высокий возможный ко­эффициент заполнения, поскольку закругленная часть кривой за­нимает меньше места.

Коэффициент заполнения ВАХ является одним из основных параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектри­ческого преобразователя. Типичные качественные серийно вы­пускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ более 0,7. Бракованные элементы имеют коэффициент за­полнения ВАХ от 0,4 до 0,65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффи­циент заполнения ВАХ 0,4-0,7. Чем больше коэффициент запол­нения ВАХ, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего со­противления.

График на рисунке 1.10 иллюстрирует ВАХ элементов с различным коэффициентом заполнения. Как видно, обе кривые имеют одинаковые значения тока короткого замыкания и напря­жения холостого хода, однако элемент с меньшим коэффициен­том заполнения ВАХ (нижний график) вырабатывает меньше мощности в ТММ.

При изготовлении каждый солнечный элемент тестируется и при этом измеряется его ВАХ и коэффициент заполнения. Если последний меньше 0,7, то элемент классифицируется как Grade В и продается производителям супердешевых панелей, которые должны уведомлять покупателей о низком качестве элементов.

• Коэффициент полезного действия (КПД) является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух солнечных элементов. Он определяется как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элемен­том, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме соб­ственно производительности солнечного элемента, КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излу­чения и температуры солнечного элемента. Поэтому для сравне­ния двух солнечных элементов нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. КПД солнечного элемента определя­ется как часть падающей энергии, преобразованной в электриче­ство