СНЯТИЕ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ

На Землю от Солнца поступает ежедневно около 4,20 трлн. кВт·ч энергии, что в сотни раз превосходит энергетические потребности современного человечества. Очевидно, заманчиво использовать солнечную энергию для получения электрической, ведь это позволит не только не расходовать миллиарды тонн ископаемого топлива, но и существенно улучшить экологическое состояние среды обитания человека. Как следствие, в экономически развитых и экологически озабоченных странах началось бурное развитие солнечной энергетики и создание солнечных батарей [1].

Солнечный элемент это полупроводниковый прибор, преобразующий солнечный свет в электрическую энергию. Большинство фотоэлементов представляют собой кремниевые полупроводниковые фотодиоды (рис.1). Первые фотодиоды были изготовлены в 1954 г. Технология их изготовления быстро совершенствуется. В настоящее время с помощью солнечных полупроводниковых элементов обеспечиваются энергией искусственные спутники Земли. Метод преобразования солнечной энергии в электрическую с помощью полупроводниковых солнечных элементов является в настоящее время наиболее разработанным в научном и практическом плане. Он широко используется в системах энергопитания космических аппаратов и получает все большее применение в наземных условиях для обеспечения электроэнергией автономных потребителей[2].

Структура солнечного элемента выглядит следующим образом:

1)  проводник от лицевой поверхности предыдущего элемента;

2)  добавочный потенциальный барьер p+–Si толщиной 0,2 мкм;

3)  слой p-Si толщиной 250÷400 мкм;

4)  слой n-Si толщиной 0.2÷1.0 мкм;

5)  противоотражательное покрытие;

6)  лицевой проводник;

7)  к тыльному контакту следующего элемента;

8)  металлический контакт с тыльной стороны.

  (а)                                                                     (б)

Рисунок 1. Структура солнечного элемента: структурная схема(а), внешний вид (б)

Солнечная батарея представляет собой p-n-переход с омическими контактами (рис. 2).

Если энергия квантов света больше ширины запрещенной зоны полупроводников p-n-перехода, то под действием света генерируются электрон-дырочные пары. Они разделяются полем потенциального барьера в области перехода и движутся в n- и p-области, где они являются основными носителями. В результате электронов в n-области и дырок в p-области становится в избытке и эти области приобретают отрицательный и положительный заряды соответственно. При отсутствии внешней цепи накопление зарядов вызывает понижение и даже исчезновение потенциального барьера. Как следствие, разделение пар прекращается. Наступает состояние равновесия – насыщение. Напряжение, возникающее в таком состоянии на p-n-переходе, называют напряжением размыкания или холостого хода U_хх. Подключив к прибору внешнюю цепь, можно отбирать электроэнергию.

Рисунок 2. Диаграмма энергетических уровней и структура солнечной батареи.

При освещении солнечного элемента на базе p-n-перехода в последнем возникает обратный фототок I_ф от электрода с большим отрицательным зарядом (катода) к электроду с большим положительным зарядом (аноду) через нагрузочное сопротивление R_н, на котором падает напряжение нагрузки U = I·R_н (рис. 3).

Рисунок. 3. Схема питания нагрузочного сопротивления

Прямой ток через p-n-переход в режиме разомкнутой внешней цепи (без нагрузочного сопротивления R_н) составляет величину

Тогда суммарный ток при выключенной нагрузке будет

так как внутренний ток p-n-перехода и фототок имеют противоположные знаки. В режиме холостого хода, когда нагрузка отсутствует и цепь разорвана, Jн=0, следовательно

,

где k – постоянная Больцмана (k = 1.38·10-23 Дж/К = 0.86·10-4 эВ/К), e – элементарный заряд (e = 1.6·10-19 Кл).

На рис.4 представлены графики ВАХ элемента солнечной батареи при различных режимах освещения:

Рисунок 4. ВАХ элемента солнечной батареи в различных режимах освещения

Рисунок 5. Схема экспериментальной установки.

СБ – солнечная батарея на основе Si-H; R_Н – нагрузочное переменное сопротивление – магазин сопротивлений измерительный Р33 с пределом измерения до 99999.9 Ом; mA – миллиамперметр 0 ÷ 50 мА; V – многопредельный стрелочный измерительный прибор, который в схеме измеряет постоянное напряжение на пределе 30 В на нагрузочном сопротивлении R_Н.

Порядок измерений:

1. Установить нагрузку Rн = 5 Ом.

2. Включить освещение солнечной батареи.

3. С помощью магазина сопротивлений Р-33, установить величину тока J_max = 25 мА, близкую к значению тока короткого замыкания J_кз.

4. Измерить величину падения напряжения на нагрузочном сопротивлении с помощью милливольтметра (V), предварительно определив цену деления V(В/дел.) для предела измерения 30 В.

5. Занести в таблицу значения R_Н, mA, V.

6. Определить ток через сопротивление R_Н, как отношение падения напряжения к величине сопротивления.

7. Увеличивая нагрузочное сопротивление, повышать падение напряжения на R_Н на ΔU = 1 мВ. Заносить в таблицу значения показаний приборов согласно п.5.

8. Проводить измерения до тех пор, пока изменения показаний V не прекратятся.

9. Увеличивая сопротивление R уменьшать показания mA с шагом ΔI = 1 мА, записывая показания R, V, mA до тех пор, пока показания миллиамперметра не будут близки к нулю. Значение падения напряжения в этом случае соответствует U_max и близко к напряжению холостого хода.

10. Используя полученные значения токов и напряжений, построить вольт-амперную характеристику при освещении солнечного элемента.

11. Для 5 – 6 значений напряжений на R_Н для сопротивлений R₁ = 0.1 Ом, R₂ = 1 Ом, R₃ = 10 Ом рассчитать по закону Ома ток и построить на ВАХ нагрузочные прямые.

12. По U_max и J_max рассчитать P_max.

Список литературы:

1. Гуртов В. А. Твердодельная  электроника : Учебное  пособие – 3 изд., М.: Техносфера. 2008г. 512с.
2. Денисов В. В. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Учебное пособие, Ростов-на-Дону: Феникс 2015г .382с.