Изучение механизма работы солнечных элементов, их соединений – батарей

Содержание

1.Актуальность применения СЭ

2.Изготовление СЭ

3.Принцип работы СЭ

4.Солнечные батареи

5.Применение СЭ

6.Проблемы, связанные с использованием СЭ

Список используемой литературы

1. Актуальность применения СЭ

Казалось бы, совсем недавно солнечная батарея прочно ассоциировалась с космическими кораблями, орбитальными станциями и луноходами. А сейчас, устройство, способное извлекать электричество из света можно обнаружить в любом калькуляторе. Более того, в богатых солнечным светом странах с жарким летом и мягкой зимой («страны с высокой инсоляцией»), таких как Италия, Испания, Португалия, южные штаты США и т.д. Солнечная энергетика является заметной статьей экономии средств на электро- и теплоснабжение. Причем экономия эта происходит как по частной инициативе граждан, так и в виде обязательных к выполнению государственных нормативных актов, как например в Испании.

Попытки заставить работать на себя энергию солнца предпринимались человечеством давно, так по легенде Архимед сжег римский флот, приказав сфокусировать множеством зеркал (в другой версии - начищенных до блеска щитов) солнечный свет на парусах римских галер. Но заметные результаты попытки подчинения энергии солнца дали только в прошлом веке. Какие же существуют пути использования солнечной энергии?

Самый очевидный путь - это преобразование световой энергии солнца в тепловую. Строго говоря, это даже преобразованием назвать нельзя, ведь свет и тепло имеют одну и ту же природу и отличаются лишь частотой, правильнее будет говорить о сборе тепла. Для сбора солнечного тепла устройства, которые так и называются - солнечные коллекторы. Принцип их действия предельно прост - теплоноситель (вода, реже воздух) нагревается в сделанном из теплопоглощающего материала радиаторе. Такие устройства имеют широкое применение для горячего водоснабжения частных домов.

Как уже говорилось выше, самый простой способ использования в личных целях энергию солнца - это сбор тепловой энергии. Но наиболее удобным для накопления и транспортировки видом энергии является электричество. Его можно без особых проблем собрать в аккумуляторах либо передать по проводам к месту, где оно будет работать, с минимальными потерями. Отсюда следует третий, самый распространенный способ использования солнечного света - преобразование его в электрическую энергию. [1]

. Изготовление СЭ

солнечный батарея кремниевый фотоэлемент

Так как самым распространённым материалом для изготовления диодных СЭ является кремний, то рассмотрим изготовление СЭ из данного материала.

Солнечная батарея так назвали первый кремниевый фотоэлемент. Этот фотоэлемент создан в 1953 г. и представляет собой преобразователь лучистой энергии в электрическую с очень большим для этого класса приборов КПД, достигающим 6%.

Кремний - элемент, обладающий полупроводниковыми свойствами, расположенный в IV группе периодической системы, второй по распространенности элемент в природе. Атомный вес его 28,06, а порядковый номер 14. Температура плавления кристаллического кремния 1415 °С, а температура кипения 2360 °С. Электропроводность кремния в зависимости от сорта и числа, введенных в него примесей колеблется в довольно широких пределах. Как и три других элемента IV группы, кремний обладает решеткой типа алмазной.

В течение уже сравнительно многих лет кремний является объектом всесторонних физических исследований. В последние годы физики главное свое внимание сконцентрировали на изучении его электрических свойств. В итоге многолетних исследовательских работ были получены результаты, представляющие большую ценность, как для теории, так и для практики. Среди этих результатов большое значение имеет метод получения кремния с наперед заданным механизмом проводимости - электронным или дырочным, позволивший разработать кремниевые детекторы. Таким же важным результатом, несомненно, следует считать разработку технологии введения в монокристалл кремния примесей посторонних атомов, позволяющей получать в одном кристалле р-n - переход, на основе которого и был создан кремниевый фотоэлемент с запорным слоем. На основе таких фотоэлементов и была создана солнечная батарея.

Технология изготовления кремниевого фотоэлемента довольно сложна. Она сводится в основном к следующим операциям. Сначала из расплавленного кремния выращивают большие монокристаллы. Взращивание монокристаллов может осуществляться разными способами. Один из них заключается в том, что в расплавленный кремний погружается затравка и очень медленно поднимается вверх. Затравка, т. е. небольшой монокристалл данного вещества, представляет собой кристаллизационный центр, вокруг которого начинается кристаллизация. В процессе медленного подъема затравки начинается постепенное образование монокристалла кремния, который может быть получен достаточно больших размеров. Весь этот процесс проводится в условиях высокого вакуума. Нагрев кремния осуществляется индукционной высокочастотной печью.

Полученные кремниевые монокристаллы разрезают на тонкие пластинки прямоугольной формы. Пластинка обладает электронным механизмом проводимости. Для создания же фотоэлемента с запорным слоем необходима система из двух полупроводников с противоположными механизмами проводимости. Для этого одну из поверхностей пластинки покрывают тонким равномерным слоем бора и в течение некоторого времени прогревают пластинку в электрической печи при непрерывной работе вакуумных насосов. Время диффузионного прогрева подбирается таким образом, чтобы атомы бора за это время успели продиффундировать внутрь пластинки лишь на часть ее толщины. Так как примесь бора к кремнию сообщает последнему дырочную проводимость, то в результате одна часть кремниевой пластинки будет обладать дырочной проводимостью, а вторая часть - электронной. На границе между одной и другой частями образуются р-n - переход и как следствие этого запорный слой. На обеих поверхностях кремниевой пластинки создаются специальным методом металлические электроды, один из которых - полупрозрачный. Затем пластинка помещается в оправку с двумя токовыми выводами. [2]

. Принцип работы СЭ

Рассмотрим p-n переход, описанный выше. При температурах выше 0º К температурные колебания атомной решётки приводят к появлению подвижных (т. е. свободных) электронов и дырок в материале как p-типа, так и n-типа. Эти свободные электроны и дырки движутся хаотически. Благодаря легированию примесями концентрация свободных дырок в материале p-типа намного больше их концентрации в материале n-типа, а концентрация свободных электронов в материале n-типа намного выше их концентрации в материале p-типа. Поэтому дырки в материале p-типа и электроны в материале n-типа называются основными носителями, а дырки в материале n-типа и электроны в материале p-типа - неосновными носителями. Принцип действия диодов и солнечных элементов с p-n переходами зависит от неосновных носителей, поэтому их относят к приборам, работающим на неосновных носителях заряда. [3]

Когда СЭ освещается, поглощенные фотоны генерируют неравновесные электрон-дырочные пары. Электроны, генерируемые в p-слое вблизи p-n-перехода, подходят к p-n-переходу и существующим в нем электрическим полем выносятся в n-область.

Аналогично и избыточные дырки, созданные в n-слое, частично переносятся в p-слой. В результате n-слой приобретает дополнительный отрицательный заряд, а p-слой - положительный. Снижается первоначальная контактная разность потенциалов между p- и n-слоями полупроводника, и во внешней цепи появляется напряжение. Отрицательному полюсу источника тока соответствует n-слой, а p-слой - положительному. (Рисунок 1)

Рисунок 1 - возникновение фотоЭДС в СЭ

Величина установившейся фотоЭДС при освещении перехода излучением постоянной интенсивности описывается уравнением вольт-амперной характеристики ВАХ (Рисунок 2):

U= ,

где - ток насыщения,

- фототок

ВАХ поясняет эквивалентная схема фотоэлемента (Рисунок 3), включающая источник тока

где S - площадь фотоэлемента, а коэффициент собирания - безразмерный множитель (<1), показывающий, какая доля всех созданных светом электронно-дырочных пар (S*No) собирается p-n-переходом.

Рисунок 2 - ВАХ СЭ

Параллельно источнику тока включен p-n-переход, ток через который равен . p-n-переход шунтирует нагрузку, и при увеличении напряжения ток через него быстро возрастает. В нагрузку (сопротивление R) отбирается ток I.

Рисунок 3 - эквивалентная схема СЭ

Уравнение ВАХ справедливо и при освещении фотоэлемента светом произвольного спектрального состава, изменяется лишь значение фототока. Максимальная мощность отбирается в том случае, когда фотоэлемент находится в режиме, отмеченном точкой а (Рисунок 2).

Основные необратимые потери энергии в СЭ связаны с:

) отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя;

) прохождением части излучения через СЭ без поглощения в нём;

) рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов;

) рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в объёме СЭ;

) внутренним сопротивлением преобразователя;

) некоторыми другими физическими процессами. Для уменьшения всех видов потерь энергии в СЭ, разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия.

К их числу относятся:

) использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;

) направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;

) переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;

) оптимизация конструктивных параметров СЭ (глубины залегания p-n-перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);

) применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту СЭ от космической радиации;

) разработка СЭ, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;

) создание каскадных СЭ из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.; Также существенного повышения КПД СЭ удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно переизлучающих структур, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным СЭ и т.д. [5]

. Солнечные батареи

При освещении кремниевый солнечный элемент генерирует электрическое напряжение небольшой величины (примерно 0,5 В). Независимо от типа и схемы включения все (большие и малые) солнечные элементы генерируют одинаковое напряжение. По-иному обстоит дело с выходным током элемента. Он зависит от интенсивности света и размера элемента, под которым подразумевается площадь поверхности. Сила тока зависит также от длины волны света и его интенсивности, причем она прямо пропорциональна интенсивности излучения. Чем ярче свет, тем больший ток генерируется солнечным элементом. Солнечные элементы использовались бы очень редко, если бы эксплуатировались в пределах упомянутых параметров. Лишь в некоторых случаях требуется такое низкое напряжение (0,5 В) при произвольных требованиях к величине потребляемого тока. И решение этой проблемы состоит в том, чтобы соединять СЭ последовательно и параллельно с целью увеличения выходных характеристик.

К сожалению, с точки зрения увеличения выходного тока последовательное соединение обладает присущим ему недостатком. При последовательном соединении элементов питания выходной ток не превосходит уровня, характерного для худшего элемента в цепи. Это справедливо для всех источников питания независимо от того, являются ли они батареей, блоком питания или солнечными элементами.

Это означает, что при любом числе 2-амперных солнечных элементов в цепи 1-амперный элемент будет определять величину полного выходного тока, т.е. 1 А. Следовательно, если вы стремитесь достичь максимальных характеристик, необходимо согласовать токи всех элементов цепи.

Выходной ток зависит от площади поверхности элемента, и поэтому естественный путь повышения тока - это увеличение площади элемента.

Чтобы использовать преимущества обоих способов включения, можно комбинировать последовательное и параллельное соединение элементов. Подобная комбинация называется батареей.

Батареи можно составлять в любой желаемой комбинации. Простейшей батареей является цепочка из последовательно включенных элементов. Можно также соединить параллельно цепочки элементов, отдельные элементы в цепочках или сочетать их в любой другой комбинации. На рисунке 4 представлены лишь три примера из возможных комбинаций.

Различия в характере соединений элементов на рисунке 4, хотя все они обладают одинаковыми выходными характеристиками, продиктованы различными требованиями к надежности. На рисунке 4, а три последовательные цепочки элементов соединены параллельно. Такой способ используется, когда высока вероятность короткого замыкания отдельных элементов.

На рисунке 4, б представлена схема параллельно-последовательного соединения элементов. При таком соединении выход из строя одного из элементов, например, из-за появления трещины, не приводит к потере целой цепочки вследствие разрыва цепи. В последнем примере (рисунок 4, в) приняты во внимание оба случая с минимумом соединений.

Возможны и другие типы соединений, и их выбор должен определяться конкретными условиями работы устройства.

Рисунок 4 - схемы соединения СЭ

При работе с солнечными батареями, как правило, сталкиваются с явлением, не имеющим места при использовании обычных источников питания. Это явление связано с так называемым обратным смещением. Чтобы попять, что это такое, обратимся к рисунку 5.

Рисунок 5 - последовательное соединение СЭ с нагрузкой

На этом рисунке изображены 8 последовательно соединенных элементов. Полное выходное напряжение цепочки составляет 4 В, а в качестве нагрузки подключен резистор RL.

Солнечный элемент, который не производит электрической энергии, представляет собой звено с большим внутренним сопротивлением, а не закоротку. Происходит то же, что и при размыкании выключателя, но этот выключатель разомкнут не полностью - через него протекает небольшой ток.

В большинстве случаев эффективное сопротивление затемненного солнечного элемента во много раз больше величины нагрузочного резистора RL. Поэтому практически можно рассматривать RL как кусок проволоки, соединяющий отрицательный и положительный выводы.

Это означает, что функцию нагрузки выполняет теперь элемент D. В результате элемент D разогревается и при достаточно сильном разогреве может выйти из строя (взорваться). В итоге у нас остается батарея из последовательной цепочки с одним бездействующим элементом.

Эффективный путь решения этой проблемы - параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем элементам, как это показано на рисунке 6. Диоды подключены так, что при работе солнечного элемента они обратно смещены напряжением самого элемента. Поэтому через диод ток не протекает, и батарея функционирует нормально.

Рисунок 6 - параллельное подключение шунтирующих диодов ко всем СЭ

Предположим теперь, что один из элементов затеняется. При этом диод оказывается прямо смещенным и через него протекает в нагрузку ток в обход неисправного элемента. Конечно, выходное напряжение всей цепочки уменьшится, но устранится источник саморазрушающей силы.

Дополнительное преимущество состоит в том, что батарея продолжает нормально функционировать. Без шунтирующих диодов она бы полностью вышла из строя.

На практике нецелесообразно шунтировать каждый элемент батареи. Необходимо руководствоваться соображениями экономии и использовать шунтирующие диоды, исходя из разумного компромисса между надежностью и стоимостью.

Как правило, один диод используют для защиты 1/4 батареи. Таким образом, на всю батарею требуется всего 4 диода. В этом случае эффект затенения будет приводить к 25%-ному (вполне допустимому) снижению выходной мощности. [6]

. Применение СЭ

Сфера применения солнечных преобразователей для выработки электроэнергии расширяется с каждым годом.

В удаленных районах при отсутствии централизованного электроснабжения солнечные батареи служат наиболее рентабельным и надежным источником электроэнергии, как для индивидуальных строений, так и для предприятий малого и среднего бизнеса, для работы насосных установок, на фермах в качестве электроизгороди и т.д.

В городах и крупных населенных пунктах уже не редкость генерация электроэнергии для энергообеспечения жилых зданий и офисов, промышленное производство электроэнергии для сетей централизованного электроснабжения. Все более популярным становится использование солнечных батарей в резервных системах электроснабжения. Однако, и в отдаленных, и в подсоединенных к централизованным сетям районах, фотоэлектрические системы являются источником чистой энергии, не загрязняющей окружающую среду подобно тепловым электростанциям.

Разнообразие типов фотоэлементов с различными техническими характеристиками дало возможность найти им применение в самых различных областях человеческой жизнедеятельности. Солнечная энергия используется давно и повсеместно. Энергией солнечных батарей питаются такие объекты, как автономные ретрансляторы сотовой связи, дорожные знаки, элементы дорожной разметки и освещения рекламных щитов, уличные и садовые фонари, полицейские блокпосты, буи и многое другое.

В течение многих лет кремниевые и другие виды фотоэлементов работают на космических спутниках, кораблях, луноходах, автоматических исследовательских станциях, зондах. Космос является одним из базовых направлений практического использования солнечных батарей.

Примером использования солнечных фотоэлектрических преобразователей является зарядка аккумуляторов разнообразных мобильных устройств. Портативные солнечные батареи на гибких фотоэлементах, как нельзя лучше, справляются с этой задачей.

Перспективная разработка датских инженеров, создавших фонари на солнечных батареях, которые производят большее количество энергии, чем расходуют на освещение, вызвала вполне понятный интерес. Принцип действия необычных светильников SunMast основан на выработке электроэнергии солнечными элементами, покрывающими всю поверхность столба. Инвертор, преобразующий постоянный ток, генерируемый солнечными батареями, в переменный, размещается у основания каждого столба. Избыток вырабатываемого электричества передается в общую сеть. Днем «Солнечные мачты» переправляют электроэнергию в общую сеть, а ночью подпитываются от нее же.

Каждая такая «Солнечная мачта» высотой 8 метров вырабатывает и передает в общую сеть около 250 киловатт-часов в год.

Использование солнечных батарей, как показала практика, оказалось оправданным не только с технической, но и экономической точки зрения, зарекомендовав себя с самого начала промышленного применения фотоэлементов, как реальную альтернативу углеводородным видам топлива.

Использование солнечных батарей в строительстве может занять немалый сегмент строительного рынка, учитывая привлекательность для широкого потребителя новых разработок в этой области. Легкие и эластичные кровельные плиты с интегрированными в них фотоэлементами, несущие стены и перегородки, выполняющие функции солнечных батарей - эти и другие новинки знаменуют собой качественно новый скачок в области солнечной энергетики, позволяющий энергии Солнца стать частью нашей повседневной жизни. [7]

. Проблемы, связанные с использованием СЭ

КПД солнечных батарей низкий и лежит в пределах 10 - 20 %. Солнечные батареи с наибольшим КПД изготавливаются на основе монокристалла и поликристалла кремния толщиной в 300 мкм. Именно КПД таких батарей достигает 20%. Однако кремниевые батареи имеют существенный недостаток - они хрупкие и не обладают гибкостью.

На работу солнечных батарей может негативно влиять ряд факторов. К примеру, с ростом температуры снижается КПД фотоэлементов. Это притом, что солнечные батареи как раз-то и устанавливают в жарких солнечных странах. Таким образом, применение СЭ приводит к некоторым противоречиям.

Также проблемой для более широкого распространения СЭ является то, что некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭ количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья и сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик СЭ, например, за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т.д.

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства СЭ, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, т.е. фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью. Изготовление солнечных элементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит снижение себестоимости модуля в 2-2,5 раза. [5]

Список используемой литературы

1. Как устроена солнечная батарея? - Электрон. дан. - Режим доступа: http://energomir.net/alternativnaya-energetika/princip-raboty-solnechnoj-batarei.html -

. М.С. Соминский. Полупроводники. Солнечная батарея. - Электрон. дан. - Режим доступа: http://sensorse.com/page40.html

. Справочник по проектированию солнечных батарей/ Раушенбах Г.: Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 360 с.

. Солнечные элементы. Принципы работы солнечных батарей? - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.gigavat.com/ses_battery.php

. Принцип работы солнечных батарей - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.windsolardiy.com/fabrichnie-solnechnie-batarei/printsip-raboti-solnechnich-batarey.html

. Основные принципы работы солнечных элементов и их включение Электрон. дан. - Режим доступа: http://radiostorage.net/?area=news/1308

. Области применения солнечных батарей - Электрон. дан. - Режим доступа: http://www.solarbat.info/solnechnie-batarei-i-moduli/oblasti-primenenia-solnechnix-batarei