XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Энергию солнечного излучения можно преобразовывать в электроэнергию непосредственно, минуя преобразования в тепловую и кинетическую энергию. Такое преобразование происходит в фотоэлектрических преобразователях, полупроводниковых приборах, способных под действием света генерировать электродвижущую силу постоянного тока.

Рассмотрим кратко особенности устройства и работы фотоэлектрических преобразователей.

Фотоэлектрические преобразователи представляет собой полупроводниковое устройство, в котором под действием света появляется электрический потенциал. Электрические свойства полупроводников описываются зонной теорией, согласно которой валентная зона и зона проводимости разделены энергетическим зазором, называемым запрещенной зоной (Рис. 1).

Рисунок 1 - Зонная структура полупроводника с собственной проводимостью

При попадании фотона в валентный электрон, электрон возбуждается, и при достаточной энергии фотона может перейти в зону проводимости.

В настоящее время в фотоэлектрических преобразователях применяется кремний. Чистый кремний не содержит примесных атомов. Технически чистый кремний содержит незначительное число примесных атомов, которые могут отдавать или присоединять электроны. Если в полупроводник с собственной проводимостью внести примесь ионов, то возникает примесная проводимость. Так, например, если четырехвалентный атом кремния в кристаллической решетке заместить атомом с меньшей валентностью, то в решетке возникает акцепторный узел, способный захватывать свободные электроны. Энергетические уровни акцепторных атомов располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны. Отсутствие свободных электронов приводит к появлению положительных состояний, называемых дырками. Дырки имеют тяготение к заполнению электронами, но тогда на месте присоединенного электрона появляется своя дырка. Такое явление можно интерпретировать, как перемещение дырок в веществе полупроводника.

Если внести примесь с большей валентностью, чем кремний, то возникнут донорные узлы, способные отдавать электроны. В этом случае по веществу полупроводника будут перемещаться электроны.

Первого типа полупроводники называются полупроводниками р-типа, а вторые – n-типа.

Материалы с примесной проводимостью обладают более высокой электропроводностью, чем технически чистые полупроводники. Электропроводность полупроводников n-типа выше, чем чистых полупроводников, так как энергия ионизации доноров меньше ширины запрещенной зоны, и, при возбуждении фотонами, электроны легче переходят в зону проводимости, т. е., для возбуждения требуется меньшая энергия фотона. Аналогичная ситуация и для полупроводников р-типа, только здесь требуется меньше энергии для перехода дырок в валентную зону.

Если соединить р-полупроводник и n-полупроводник, то заряды (электроны и дырки) будут притягиваться к соответствующим веществам, образуя в месте соединения обедненную зону (Рис. 2).

Рисунок 2 - Схема формирования р-n перехода в фотоэлементе

Так как по обе стороны перехода имеется избыток носителей заряда (дырок в материале p-типа и электронов в материале n-типа) в переходе существуют градиенты концентрации дырок dp/dx и электронов dn/dx, которые стремятся вызвать диффузию носителей заряда (диффузионный ток). Здесь х – расстояние от границы перехода.

Концентрация дырок и электронов уменьшается с увеличением расстояния х вследствие рекомбинации. Наряду с основными носителями в р и n материалах существуют и неосновные (противоположной полярности) носители.

Период времени с момента перехода носителя в ту область, где он является неосновным, до момента его рекомбинации с основным носителем является временем жизни неосновного носителя. Диффузионная длина (расстояние, пройденное неосновным носителем до рекомбинации) определяется следующими уравнениями:

Lp =	(1)
Ln =	(2)

где L_p, L_n – диффузионная длина соответствующего носителя;

D_p, D_n – коэффициент диффузии соответствующего материала;

τ_p, τ_n – время жизни соответствующего неосновного носителя.

Вследствие диффузии и рекомбинации электронов и дырок на сторонах р-n перехода будет формироваться разность потенциалов, называемых потенциальным барьером. Этот потенциал вызывает дрейф дырок из материала n-типа в материал р-типа и дрейф электронов в противоположном направлении, то есть дрейфовый ток.

Динамическое равенство диффузии и дрейфа носителей в любой момент времени t и на любом расстоянии х от рn-перехода соответствует принципу сохранения заряда. Например, для дырок этот принцип описывается следующим уравнением:

= - + Dp – μp

(3)

где р_П – концентрация дырок на переходе;

р_П0 – равновесная концентрация дырок на границе обедненной

области при х = 0;

μ_р – подвижность дырок;

U₀ – напряжение потенциального барьера.

Подвижность дырок является постоянной величиной для материала и связана с коэффициентом диффузии уравнением Эйнштейна:

=

(4)

Здесь k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура;

е – заряд электрона.

Из уравнения (3) вытекает, что увеличение тока (левая часть) зависит от разности концентраций возбужденных дырок, дырок, находящихся на границе обедненной области (х = 0), и суммы диффузионного и дрейфового токов. Аналогичное уравнение можно составить и для электронов.

Граничными условиями уравнения (3) при отсутствии освещения (первое слагаемое правой части равно нулю) являются:

pП = 0 при х = pП = pП 0 exp при х = 0

(5)

При этих граничных условиях решением уравнения (3), с учетом аналогичного уравнения для электронов, будет:

j = j0 exp

(6)

Здесь j – плотность тока в полупроводнике, А/м²;

j₀ – плотность тока насыщения, А/м².

j0 =

(7)

Решая уравнение (3) для освещенного фотоэлемента (первое слагаемое правой части не равно нулю), получаем:

j = jФ+ j0 exp

(8)

где j_ф – плотность фототока, А/м².

Эквивалентная схема фотоэлемента, соответствующая выражению (8), показана на рисунке 3. Здесь j_В – второе слагаемое в (8).

Рисунок 3 — Эквивалентная схема идеального фотоэлемента

Практически ток, протекающий в фотоэлементе при освещении, отличается от расчетного по выражению (8), что объясняется наличием собственного сопротивления. Эквивалентная схема такого фотоэлемента приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 — Эквивалентная схема реального фотоэлемента

RШ – собственное шунтовое сопротивление фотоэлемента, RП – собственное последовательное сопротивление реального фотоэлемента, обусловленное присоединением выводов.

С учетом реальных изменений, уравнение тока фотоэлемента принимает вид:

j = jФ- j0

(9)

где А – поправочный коэффициент, принимающий значения 1 – 5.

В настоящее время КПД батареи фотоэлектрических преобразователей реально составляет 12 – 15%, то есть, для гарантированного получения мощности 1 кВт потребуется приблизительно 35 м² батарей ФЭП (при мощности солнечного излучения 200 Вт/м²). Максимальный теоретический КПД фотоэлектрических преобразователей может достигнуть 45%. Реальные фотоэлектрические преобразователи имеют гораздо меньший КПД., и увеличение его требует огромных усилий.

На рисунке 5 показана вольтамперная характеристика фотоэлемента.

Рисунок 5 — Вольтамперная характеристика реального фотоэлемента

I_КЗ – ток короткого замыкания, I_Н – номинальный ток, U_Н – номинальное напряжение, U_ХХ – напряжение холостого хода, Р_Н – номинальная мощность.

Номинальная мощность определяется следующим условием:

P = IU max

(10)

Или, учитывая функциональную зависимость тока от напряжения, получаем:

P = ƒ(U)U max

(11)

Здесь (U) – зависимость тока фотоэлемента от напряжения.

Л и т е р а т у р а

Алхасов А.Б. Возобновляемая энергетика. М.: Физматлит, 2010. 255 с.

Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика. СПб.: СПбГАУ, 2016. 127 с.

Преобразование солнечной энергии. Под ред. Б. Серафина. М.: Энергоиздат, 1982, 320 с.

Код для цитирования: Скопировать