ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ  ЗАРЯДНОЕ  УСТРОЙСТВО  МАЛОЙ  МОЩНОСТИ

Цивина  Максим  Александрович

студент  6  курса,  кафедра  микроэлектроники  НТУУ  «КПИ»,  Украина,  г.  Киев

E-mail: 

Иващук  Анатолий  Васильевич

научный  руководитель,  канд.  тех.  наук,  доцент  НТУУ  «КПИ»,  Украина,  г.  Киев

Разработка  альтернативных  источников  энергии,  сегодня  это  основная  проблема  человечества  и  фотопреобразователи  —  одна  из  наиболее  перспективных  альтернатив.  Преобразование  солнечной  энергии  базируется  на  внутреннем  фотоэффекте.  Суть  эффекта  заключается  в  том  что  под  влиянием  солнечной  энергии  происходит  перераспределение  электронов  по  энергетическим  состояниям  в  полупроводниках  и  диэлектриках.  Эффект  проявляется  в  изменении  концентрации  носителей  тока  и  приводит  к  появлению  вентильного  фотоэффекта.  В  результате  чего  происходит  увеличение  электрической  проводимости  [1].

В  качестве  материала  для  фотопреобразователей  используется  моно-кремниевая  пластина,  КПД  для  такого  типа  кремния  составляет  ~  15—16  %.  Такой  тип  элементов  идеально  подходит  для  устройства  по  соотношению  цена/качество.  Принцип  работы  солнечного  элемента  с  p-n  переходом  заключается  в  том  что  фото-сгенерированные  в  р-области  электроны  вытягиваются  электрическим  полем  в  n-область,  и,  наоборот,  фото-сгенерированные  в  n-области  дырки  вытягиваются  электрическим  полем  в  р  -  область.  На  омических  контактах  возникает  разность  потенциалов,  которая  называется  напряжением  холостого  хода  U_xx.  Если  закоротить  контакты,  то  через  солнечный  элемент  потечет  ток  короткого  замыкания  I_кз.  Для  того,  чтобы  элемент  отдавал  энергию  во  внешнюю  цепь,  к  его  контактам  присоединяют  нагрузку,  которая  имеет  электрическое  сопротивление  R_н.  То  есть  солнечный  элемент  выполняет  роль  помпы,  которая  перекачивает  электроны  в  направлении  n-область-внешняя  нагрузка-р-область  [4].

Поскольку  вольт-амперная  характеристика  такого  прибора  проходит  через  четвертый  квадрант  (см.  Рис.  1),  то  это  значит,  что  прибор  является  источником  тока. 

Рисунок  1.  Вольтамперная  характеристика  солнечного  элемента  на  основе  p -n  перехода

Следует  отметить,  что  в  отличие  от  химических  источников  света  полупроводниковые  солнечные  элементы  не  портятся  при  электрическом  замыкании  контактов.  При  соответствующем  выборе  сопротивления  нагрузки  энергия,  вырабатываемая  солнечными  элементом,  может  достигать  80  %  от  произведения  U_xx  *  I_кз.  На  рисунке  1  показаны  также  значения  U_м  и  I_м  —  значение  тока  и  напряжения,  для  которых  реализуется  максимальная  выходная  мощность  Р_м  =  U_м*I_м.  Коэффициент  полезного  действия  КПД  солнечного  элемента  определяется  как  отношение  максимальной  выходной  мощности  Р_м  к  мощности  падающего  солнечного  света  Р0:  КПД  =  Р_м  /  Р₀.  Чем  больше  фотонов  солнечного  света  поглощается  солнечным  элементом,  тем  больше  будет  у  него  ток  I_кз.  Это  может  быть  достигнуто  за  счет  использования  полупроводников  с  меньшей  шириной  запрещенной  зоны  (тогда  повышается  количество  фотонов  в  солнечном  излучении,  которые  имеют  энергию  выше  ширины  запрещенной  зоны  полупроводника).  С  другой  стороны,  напряжение  U_xx  определяются  высотой  потенциального  барьера  в  p-n  переходе  и  будет  тем  больше,  чем  больше  ширина  запрещенной  зоны  полупроводника.  Поскольку  для  получения  максимальной  выходной  мощности  солнечного  элемента  нужно  создать  такой  элемент,  у  которого  будут  наибольшими  не  величины  U_xx  или  I_кз  отдельно,  а  произведение  Р_м  =  U_р  *  I_р,  и,  учитывая  распределение  энергии  в  спектре  солнечного  излучения,  можно  подобрать  наилучший  полупроводниковый  материал  для  создания  эффективных  солнечных  элементов  [2].

Экспериментальным  путем  было  определено  характеристики  образца  и  рассчитано  параметры  (Таблица  1). 

Таблица  1.

Параметры  исследованного  образца

Структура  фотоэлемента  имеет  слоистый  вид  (см.  Рис.  2)

Рисунок  2.  Структура  солнечной  панели  в  разрезе:  А)  Стекло  с  низким  уровнем  железа.  Б)  EVA   (этилен-винил-ацетат)  пленка  для  герметизации.  С)  ТРТ  (тедлар-полиэстер-тедлар)  пленка  для  упрочнения  конструкции.

Для  достижения  минимальных  потерь  энергии  необходимо  подобрать  максимально  похожие  фотоэлементы.  Также  соединить  их  так,  чтобы  получить  максимально  возможную  мощность,  при  необходимых  значениях  тока  и  напряжения  (Рис.  3)  [3].  При  наличии  параметров  элементов  можно  точно  рассчитать  сколько  элементов,  какой  площади  необходимо,  а  также  способ  соединения.  Так  как:

J  =  31,53  mA/см²  »  0,032  А/см²                              (1)

Найдем  площу  пластинки  необходимую  для  получения  тока  I  =  0.55  A  (минимальный  необходимый  ток  для  зарядки);

S_пл.  =  0,55  /  0,032  =  17,185  см²                              (2)

Среднее  значение  напряжения  ~  0.5  В,  так  как  элементы  будут  соеденены  последовательно,  необходимо  взять  12  пластин,  при  этом  будет  получена  мощность  P_s  =  6  ×  0,55  =  3,5  Вт,  что  является  вполне  достаточно  для  нормального  процессу  зарядки  аккумуляторной  батареи  мобильного  телефона  [1].

Рисунок  3.  Электрическая  схема  устройства:  Ф  —  Фотопреобразователь,  Д  —  Шунтирующий  диод

При  таком  размещении  панелей,  каждая  из  которых  имеет  размер  (30  мм  *  60  мм).  Реальная  модель  устройства  будет  иметь  вид  книжки  (Рис.  4.)

Рисунок  4.  Реальная  модель  устройства:  1  —  Фотоэлектрический  преобразователь,  2  —  Корпус,  3  —  Соединительные  проводники,  4  —  USB   выход

При  средней  стоимости  ~  30—40  $,  представленная  модель  является  реальной  альтернативой  устройств  для  обеспечения  зарядки  маломощных  электронных  гаджетов  (мобильных  телефонов,  навигаторов,  планшетов,  т.  п.).  При  исследовании  реального  образца  полная  зарядка  среднестатистического  мобильно  телефона  составляет  2—3  часа  в  солнечный  день.  Такое  устройство  является  очередной  ступенью  к  внедрению  чистой,  эффективной  и  долговечной  энергии  в  нашей  жизни.

Список  литературы:

1.Бабиев  Г.М.  Перспективи  внедрения  нетрадиционных  и  возобновляемых  источников  энергии  /Д.В.  Дероган,  А.Р.  Щокин  //  Электрический  Журнал.  —  1998.  —  №  1,  —  53—56  с.

2.Васильев  А.М.  Полупроводниковые  фотопреобразователи.  /А.М.  Васильев,  А.П.  Ландсман.  М.:  Советское  радио,  1971.  —  246  с.

3.Викулин  И.М.  Физика  полупроводниковых  приборов.  /И.М.  Викулин,  В.И.  Стафеев.  М.:  Сов.  радио,  1980.  —  293  с.

4.Фаренбрух  А.  Солнечные  элементы:  теория  и  эксперимент  /Р.  Бьюб,  Пер.  с  англ.  под  ред.  М.М.  Колтуна.  М.:  Энергоатомиздат,  1987.  —  280  с.