ТОНКОПЛЕНОЧНЫЕ. СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Основные элементы фотовольтаических систем

2.3.1. Диффузионный ток

Обусловленный инжекцией дырок из p-области в n-область и электро­нов из n-области в p-область диффузионный ток может быть найден с по­мощью известной формулы Шокли, характеризующей вольт-амперную ха­рактеристику идеального диода.

При вычислении вольт-амперной характеристики используются сле­дующие допущения [13]:

1) контактная разность потенциалов и приложенное напряжение урав­новешены двойным заряженным слоем с резкими границами, вне которых полупроводник считается нейтральным;

2) в обедненной области справедливы распределения Больцмана;

3) плотность инжектированных неосновных носителей мала по срав­нению с концентрацией основных носителей;

4) в обедненном слое отсутствуют токи генерации (через него проте­кают постоянные электронный и дырочный токи).

Согласно соотношению Больцмана в состоянии равновесия

где у, ф — потенциалы, соответствующие середине запрещенной зоны и уровню Ферми (у = - Ei /е; ф = - EF /е).

Поскольку в состоянии теплового равновесия справедливы выражения

(2.1) и (2.2), то произведение рп равно n2. При подаче на переход напряже­ния по обеим его сторонам происходит изменение концентрации неоснов­ных носителей и произведение рп уже не равно п2 . При наличии внешнего

источника напряжения определим

(2.3)

(2.3) где фП, фр — квазиуровни Ферми для электронов и дырок соответственно (рис. 2.4).

Тогда

Рис. 2.4. Зонная диаграмма р-п-перехода: а - прямое смещение;
б - обратное смещение

2

При прямом смещении (фр - фп) > 0 и pn > щ, а при обратном смеще­нии (фр - фп) < 0 и pn < пі.

Уравнения для плотности электронного и дырочного токов в полупро­воднике в общем виде имеют полевую и диффузионные (обусловленную градиентом концентрации) составляющие:

Зп = ерппЕ + eDnVn; (2.6)

Аналогично для дырочного тока

J p — —epppVфp.

Таким образом, плотности электронного и дырочного токов пропор­циональны градиентам квазиуровней Ферми для электронов и дырок соот­ветственно. В состоянии теплового равновесия фп = фр = const и Jn = Jp = 0.

Из выражения (2.5) можно получить концентрацию электронов на границе обедненного слоя в р-области перехода х = —р (см. рис. 2.4):

где pno — равновесная концентрация дырок в п-области.

Уравнения (2.7) и (2.8) являются граничными условиями для вычисле­ния вольт-амперной характеристики.

В стационарном состоянии уравнения непрерывности записываются в виде

где R — результирующая скорость рекомбинации.

Поскольку в первом приближении соблюдается зарядовая нейтраль­ность, то пп - nno ~ pn - рпо. Умножая уравнение (2.9) на Mppn и уравнение

(2.10) на Мппп и учитывая соотношение Эйнштейна D = (kT/q)p, получим

В случае малого уровня инжекции (т. е. при рп << пп « пп§ в полупро­воднике n-типа) уравнение (2.11) упрощается:

где Lp — ^Dpт p.

В результате при х = хп плотность дырочного тока

(2.14)

Общий ток через переход равен сумме токов Jp и Jn (см. (2.14) и (2.15)). Принимая во внимание, что разность электростатических потенциалов на p-n-переходе определяется величиной V = фp - фп, получаем для общего диффузионного тока

где ток насыщения

eDppn0 eDnnp 0 J 01 = +

n

( e ^

_ ZS

кТ J

Большинство фотовольтаических систем представляют собой плоские солнечные преобразователи, в которых солнечная энергия собирается непо­средственно модулями. Такие системы являются, как правило, статичными с фиксированной ориентацией, но может использоваться и система слежения за солнцем.

В целом фотовольтаические системы состоят из модулей, т. е. соеди­нения отдельных солнечных элементов, генерирующих электричество, так называемого баланса системы (balance-of-system - BOS), т. е. части фото­вольтаической системы за исключением солнечных элементов, включаю­щей кабельное соединение, опорные конструкции, аккумуляторы, контро­лер заряда, электронную часть, преобразователь постоянного в перемен­ный ток и др. Некоторые из компонент баланса системы не являются обяза­тельными для фотовольтаических систем. Например, в состав большинства автономных фотовольтаических систем входят аккумуляторы, которые за­ряжаются в дневное время суток, в то время как солнечные элементы рабо­тают и снабжают потребителей электроэнергией в темное время суток. При этом аккумуляторы могут отсутствовать в системах, подключенных к цен­тральной энергетической сети, которая в данном случае является «вирту­альным аккумулятором».

В состав фотовольтаических систем с концентрацией излучения входят системы точного слежения за Солнцем. Причем точность слежения должна повышаться с увеличением концентрации излучения. В этом случае требу­ется создание специальных опорно-поворотных устройств, оснащенных датчиками положения Солнца и электроприводами. В таких фотовольтаиче­ских системах требуется принудительное охлаждение, для чего при невысо­ких концентрациях излучений используются медные радиаторы. В случае

высоких концентраций требуется уже водяное охлаждение.

11