Как работает солнечный элемент он же ФЭП

Одной из важнейших характеристик материалов, относящихся к полупроводникам, является удельное сопротивление. Удельное сопротивление – это физическая величина характеризующая способность материала противодействовать прохождению электрического тока. Это свойство материала препятствовать прохождению электрического тока.

• Металлы удельное сопротивление 10^-8 - 10^-6 ом м
• Изоляторы удельное сопротивление 10¹⁰ -10¹⁶ ом м
• Полупроводники удельное сопротивление 10^-3 – 10⁷ ом м

Что еще характерно для полупроводников. Это материал, который проводит ток с помощью электронов, и проводимость растет с увеличением температуры (в отличие от металлов).

Самый распространённый сейчас полупроводниковый материал – Кремний Si. Валентность, число атомов на внешней оболочке, участвующих в связи атомов друг с другом 4. Атомы соединяет ковалентная связь (или говоря более простым языком, связь между атомами за счет пары электронов, являющихся общими для них).

С ростом температуры электроны покидают свой атом, и появляется свободный электрон, который является носителем тока. С дальнейшим повышением температуры таких электронов становится все больше. Сопротивление материала падает. Атом, который покинул электрон становится заряженным положительно и способен захватить электрон у соседнего атома. Таким образом положительный заряд тоже начинает путешествовать по кристаллу. Атом потерявший электрон называется дыркой. Приложим к кристаллу кремния напряжение, и по нему потечет ток, в котором участвуют электроны и дырки. Дырки и электроны могут встретиться и исчезнуть и этот обретший электрон атом снова становится электронейтральным. Процесс взаимоуничтожения свободного электрона и дырки называется рекомбинацией. Но сопротивление чистого материала высоко.

Чтобы управлять удельным сопротивлением полупроводника в него добавляют примесь. В качестве примеси добавляют материал, который имеет лишний электрон по сравнению с материалом полупроводника. Для кремния это фосфор, сурьма, мышьяк. Такая примесь называется донорной. Интегрируясь в атомную решетку атом примеси забирает все валентные связи исходного полупроводника и один электрон остается лишним.

Или взять материал, у которого не хватает электрона по сравнению с исходным полупроводником. Тогда атом примеси забирая у соседних атомов исходного полупроводника валентные электроны образует дырку, которая выступает как свободный носитель. У кремния это прежде всего бор и алюминий.

Регулируя количество примеси, можно регулировать количество свободных носителей, электронов или дырок. Чем больше носителей, тем ниже сопротивление материала. Таким образом, учитывая, количество вносимой примеси можно точно получить материал с заданным сопротивлением и свойствами. Надо отметить, что поведение (реакция на тепло, свет, магнитное поле и т.д.) полупроводниковых материалов очень чувствительно к количеству вносимой примеси.

Что происходит на границе p-n перехода, когда два материала с разным типом проводимости p и n соединить. На одной стороне материал с недостатком электронов (избытком дырок) p типа с другой материал с избытком электронов. Начнется дрейф этих избытков из p области в n область дырок и наоборот из n области в p область электронов. Это процесс диффузии. Диффузия идет из области с большей концентрацией дырок или электронов в сторону меньшей их концентрации.

Попадая в n область дырка находит себе свободный электрон и исчезает – рекомбинирует. Точно также происходит и с электроном, который попадает в p область, он тоже рекомбинирует. Но до процесса диффузии и р, и n области были электронейтральны. В процессе диффузии в узкую приграничную р область пришли электроны т.е. она заряжается отрицательно, как и n область куда пришли дырки. Узкие зоны вблизи границы оказываются заряжены противоположно основной массе материала. Возникает электрическое поле, которое направлено против диффузии и которое прекращает дрейф электронов в р область и дырок в n.

Чем характерна эта область.

• Это область объёмного заряда с одной стороны + и с другой стороны -
• Это область с малым количеством свободных носителей, они взаимно уничтожились.
• Это область, которая выталкивает дырки в p область из-за наличия положительного заряда в зоне n области. И наоборот электронов в n область из-за наличия отрицательного заряда на границе р области. Дырка из р области по мере движения в сторону n области сначала попадает в область отрицательного заряда, но там все места заняты. Переходя в область положительного заряда, она испытывает обратное притяжение области отрицательного заряда и отталкивание области положительного заряда. Это приводит к тому, что дырка вылетает обратно в р область. То же самое с электронами.

Солнечный элемент

Что произойдет если осветить такой p-n переход светом. Фотоны определенной энергии будут отрывать электроны от атомов с образованием свободных электронов и дырок. В объёме электронейтрального материала они будут рекомбинировать. Иное дело сам p-n переход, где нет свободных носителей и объёмный заряд с одной стороны + с другой – и как следствие электрическое поле, направленное от n области к р. Появившаяся дырка будет выброшена в р область, а электрон в n область. Возникает разность потенциалов и при замыкании проводником между р и n областями потечет электрический ток. Кажется, если светить на p-n переход долго можно получить большую разность потенциалов, которая будет все более увеличиваться при освещении. Но это не так. При определённой разнице потенциалов между р и n областями напряженность электрического поля заряжающихся р и n областей становиться больше напряженности электрического поля области объёмного заряда. Это приведет к равновесию поступающих и уходящих дырок и электронов.

Те величина разницы потенциалов областей p и n при освещении приобретает определенную величину и далее слабо растет с ростом освещенности. Эта величина называется фото ЭДС. При разорванной цепи это напряжение может составлять 0,6-0,7 В.

По сути, солнечный элемент - это диод, имеющий точно такую же вольт амперную характеристику (ВАХ). Но как говорилось ранее при освещении этого диода возникает разность потенциалов между p и n областями равное напряжению холостого хода Uхх (Uoc). Что произойдет с вольт амперной характеристикой. Она сместится параллельным переносом вниз, чтобы Uxx стало равно 0.6-0.7 В

Как снимается вольт амперная характеристика.

Получается график зависимости вырабатываемого напряжения и тока (синяя линия) в зависимости от сопротивления нагрузки.

При нулевом сопротивлении течет ток короткого замыкания Iкз (Isc).

Ток короткого замыкания в СЭ зависит от а) Площади СЭ. Обычно вместо тока короткого замыкания рассматривают плотность тока короткого замыкания (j кз в мА/см2). Это позволяет не учитывать площадь СЭ. б) интенсивности, мощности падающего излучения). в) Спектра падающего излучения. Для большинства измерений, проводимых с СЭ, используется спектр при условии AM1.5. г) Совершенство светопоглощения. На СЭ делается текстура и наносится специальное антиотражающее покрытие. д) совершенство структуры и выбор материла с небольшим удельным сопротивлением (около 1 Ом см) чтобы уменьшить потери на сопротивление. Е) эффективность токосъёма с поверхности СЭ. Надо собирать токи около 3-4 А. для этого необходимо соблюдать баланс между потерями на затенение СЭ контактами и площадью самих контактов. В настоящее время используется 4 токосъёмные дорожки в СЭ для их коммутации.

При бесконечно большом сопротивлении ток не течет и на контактах возникает напряжение холостого хода Uхх (Uoc). Высокое напряжение холостого хода говорит о совершенстве P-n перехода и высоком времени жизни неосновных носителей (время пробега до рекомбинации) заряда дырок в n области и электронов в р области. Это следствие чистоты и структурного совершенства кристалла полупроводника и диодной структуры.

Важным параметром для СЭ также является крутизна наклона вольт амперной характеристики или Фил Фактор FF. Его можно рассчитать, как отношение площадей прямоугольников FF=А/B. Или по-другому

FF = (Umpp*Impp)/(Uхх*Iкз)

Этот фактор говорит об эффективности диодной структуры. Для его повышения используют материал с высоким времени жизни неосновных носителей, и высоким слоевым сопротивлением p-n перехода, также надо позаботиться о снижении шунтирующих сопротивлений прежде всего в токосъёмных контактах.

И наконец кпд солнечного элемента. Кпд рассчитывается как отношение мощности вырабатываемой энергии солнечным элементом Pраб к мощности падающего солнечного излучения Pc.

Кпд= Pраб/Pc = (Uхх*Iкз*FF)/(Е*S) где S – площадь СЭ а Е – интенсивность солнечного излучения в Вт на м2.

Для стандартных измерений используется источник солнечного излучения интенсивностью 1000 Вт/м2. Кпд современных монокристаллических элементов (из которых делают солнечные панели) выполненных по типовой технологии достигают в серии 20-21%.

Если в каждой точке m вольт амперной характеристики рассчитать мощность P=U*I то получится график зависимости мощности от напряжения. Этот график имеет максимум одной точке (красная линия). Точка максимальной мощности Pmpp (maximum power point). И чем ближе рабочая точка нагрузки к точке максимальной мощности, тем эффективнее используется энергия от солнечного элемента.