Вольт-амперна характеристика фотоелемента - студопедія

Потік генерованих світлом носіїв утворює фототок Iф. Величина I ф дорівнює числу фотогенерованих носіїв, які пройшли через p-n-перехід в одиницю часу:

де q - величина заряду електрона; Pu - потужність поглиненої монохроматичноговипромінювання.

Тут передбачається, що в напівпровіднику кожен поглинений фотон з енергією hv Еg створює одну електронно-дірковий пару. Ця умова добре виконується для сонячних елементів на основі Si.

Нехай p-n-перехід розташований поблизу від освітлюваної поверхні напівпровідника. При використанні сонячного елемента в якості джерела електроенергії до його висновків повинно бути приєднано опір нагрузкіRн. Розглянемо спочатку два крайніх випадки: Rн = 0 (режим короткого замикання) і Rн = ∞ (режим холостого ходу).

У першому випадку зонная діаграма освітленого p-n-переходу не відрізняється від зонного діаграми при термодинамічній рівновазі (без освітлення і без прикладеної напруги зсуву), оскільки зовнішнє закорочування забезпечує нульову різниця потенціалів між n - і p-області. Однак через p-n-перехід і зовнішній провід-ник тече струм, обумовлений фотогенерація електронно-доручених пар в p-області

При нульових внутрішніх омических втрати в сонячному елементів-ті режим короткого замикання еквівалентний нульового напрузі зміщення p-n-переходу, тому струм короткого замикання

Iкз дорівнює фотострумів:

При розімкнутому зовнішньому ланцюзі p-n-переходу фото-електрони, потрапляючи в n -область, накопичуються в ній і заряджають n-область негативно. Залишаються в p-області надлишкові дірки заряджають p -область позитивно. Виникає таким чином різниця потенціалів є напругою холостого ходу Ux .x. Полярність Ux .x. відповідає прямому зсуву p-n-переходу.

У режимі холостого ходу фототок врівноважується «темновим» струмом Im -. Абсолютне значення «Темнова-го» струму:

звідки при Iф »I 0:

де k - постійна Больцмана, 1,38 · 10-23 Дж / К = 0,86 · 10-4 еВ / К; Т - аб-солютная температура, К; I 0 - струм насичення; A - параметр вольт-амперної характеристики p-n-переходу, який змінюється для різних відріз-ков графіка від 1 до 2 з наступним законом:

де # 8710; U - збільшення напруги при збільшенні щільності струму (або абсолютного значення струму) по дотичній на один порядок.

«Темновой» ток супроводжується рекомбінацією неосновних но-СІТЕЛ струму (в даному випадку - електронів в p-області). При актах ре-комбінації потенційна енергія електронно-доручених пар виділити-ється або за допомогою випромінювання фотонів з hv ≈Eg. або витрачається на нагрівання кристалічної решітки.

Таким чином, режим холостого ходу сонячного елемента еквівалентний режиму роботи світлодіодів, а також випрямних діодів в пропускному напрямку.

Знайдемо узагальнене вираження для вольт-амперної характери-стики освітленого p-n-переходу. Для цього припустимо, що до нього підключений джерело живлення з варійованим напругою. При поло-тивних напрузі зсуву фототок Iф віднімається з «темнового» струму p-n-переходу, а при негативному - підсумовується з ним. Вираз для вольт-амперної характеристики записується у вигляді:

Розглянемо підключення до p-n-переходу варьируемого сопротив-лення навантаження. Напрямок струму в навантаженні завжди Совпа-дає з напрямком Iф. а сам струм навантаження Iн дорівнює результуючому току через p-n-перехід. Беручи напрямок струму Iф за позитивне, для Iн можна записати:

де Uн - напруга на навантаженні, що дорівнює напрузі на p-n-переході. Останній вираз описує навантажувальну вольт амперну характеристику освітленого p-n-переходу.

При відомих параметрах навантаження вольт-амперної характеристики та заданому значенні Rн величини Iн і Uн знаходяться методом послідовних наближень (рисунок 3).

Прямі струмом через p-n-перехід, що виникають при напрузі зсуву (холостого ходу) Ux .x.

Малюнок 3 - Вольтамперні характеристики елемента (ВАХ) при різних потужностях світлового потоку

Таким чином, освітлений p-n-перехід може бути представлений у вигляді еквівалентної схеми, де джерело струму імітує генерацію постійного фотоструму, що не залежить від напруги p-n-переходу, а діод являє собою неосвітлений p-n-перехід (рисунок 4). При варіюванні Rн фототок перерозподіляється між навантаженням і p-n-переходу.

Малюнок 4 - Еквівалентна електрична схема фотоелемента

Електрична потужність, що виділяється в навантаженні, визначається за формулою:

У режимах короткого замикання і холостого ходу P = 0, посколь-ку або Iн. або Uн дорівнюють нулю.

Таким чином, сонячний елемент складається з двох з'єднаних між собою кремнієвих пластинок. Світло, що падає на верхню пластинку, вибиває з неї електрони, посилаючи їх на нижню платівку. Так створюється ЕРС елемента. Послідовно з'єднані елементи є джерелом постійного струму. Кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів являють собою сонячну батарею.

Сполучені послідовно і паралельно осередки утворюють модулі, що містять, наприклад, 36 осередків. У свою чергу модулі збираються в панелі потужністю від декількох ватів до сотень кіловат. Сонячні панелі розміщуються на відкритій місцевості, на дахах будинків, на освітлюваних поверхнях різних споруд. Вони виробляють постійний струм, що подається на зарядку акумуляторної батареї, а потім через інвертор змінний струм стандартної якості йде споживачам.