Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Оптоэлектронные микро- и наноструктуры». Свистова Т.В

сти более низкий коэффициент полезного действия (кпд) и нестабильность параметров.

Достоинствами тонкопленочных ФЭ на основе -Si:H является более высокая проработанность технологии, отсутствие экологических проблем, как в случае CdTe (Cd – токсичный материал), и использование дорогих материалов, как в случае Cu(In, Ga)Se2. Кроме того, следует отметить, что ФЭ на основе -Si : H благодаря характеристикам аморфного кремния (температурный коэффициент и спектральная зависимость коэффициента поглощения) обеспечивают более высокую эффективность преобразования солнечной энергии при температурах 40 – 60 °С и в условиях облачности.

Еще один из материалов, из которых можно изготавливать СЭ – нанопроводы оксида цинка (ZnО). Такие СЭ – гибкие батареи на основе красителей, созданные на пластиковой подложке. Технология производства заключается в нанесении тонкой пленки пористого материала (например, TiO2 или ZnO) с последующей пропиткой «губки» различными красителями (высокое содержание красителя обеспечивает более высокое значение кпд устройства). Применение наночастиц на поверхности нанопроводов позволило увеличить общую эффективность работы СЭ.

Основными параметрами солнечного элемента являют-

ся:

-максимальная отдаваемая в нагрузку электрическая мощность Рmax;

-коэффициент полезного действия фотоэлемента - это

отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к лучистой энергии, падающей на рабочую поверхность фотоэлемента

9

-эдс холостого хода (разомкнутой цепи) Uхх;

-ток короткого замыкания (максимальный фототок) Iкз;

-последовательное сопротивление Rп;

-коэффициент формы

характеризующий отклонение вида функции U = f(I) от идеального прямоугольника.

Основными характеристиками полупроводниковых фотоэлементов является спектральная, вольт-амперная и световая.

Вольт-амперная характеристика - зависимость тока от напряжения. Режиму работы фотоэлемента (режиму генерации фотоэдс) соответствует часть вольт-амперной характеристики освещенного p-n-перехода. Зависимость тока одного элемента солнечной батареи типа БСК-2 от напряжения на нем показана на рис. 1.3. Этот график снят при оптимальном освещении солнечного элемента. Этот график типичен и для других солнечных элементов. Конечно, значение максимального тока будет зависеть от мощности солнечного элемента. Для снятия этого графика к освещенному солнечному элементу подключают переменный резистор. Изменяют сопротивление переменного резистора, и измеряют ток, поступающий в резистор и напряжение на солнечном элементе.

Точки пересечения кривых с осью напряжений соответствуют значениям фотоэдс или напряжениям холостого хода Uхх при известном значении освещенности Е.

Точки пересечения кривых с осью токов соответствуют значениям токов короткого замыкания (Iкз). Величина фотоэдс (Uхх) зависит от освещенности перехода и не зависит от его площади, а величина тока короткого замыкания (Iкз) зависит от площади перехода. Поэтому сравнивают и оценивают фо-

10

тоэлементы по плотностям тока короткого замыкания (jкз). У кремниевых фотоэлементов при средней освещенности солнечным светом jкз = 20 - 25 мА/см2.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента при оптимальном освещении

По вольт-амперным характеристикам при известном значении освещенности выбирают оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. находят оптимальное сопротивление нагрузки, при котором на нагрузке выделяется наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на вольтамперной характеристике (рис. 1.4).

Световые характеристики фотоэлемента - это зависимости фотоэдс. (Uхх) и тока короткого замыкания (jкз) от светового потока или освещенности фотоэлемента. При слабых световых потоках и фотоэдс, и ток короткого замыкания возрастают пропорционально световому потоку. Эта пропорциональность лежит в основе измерительных приборов типа люксметров. Однако при дальнейшем возрастании светового потока пропорциональность нарушается. Это связано с

11

уменьшением заряда фотоэлектронов в n- области и фотодырок в p-области. Значение фотоэдс не может расти до сколь угодно больших значений, оно при любом освещении не может превысить значение контактной разности потенциаловк и ширину запрещенной зоны полупроводника.

Рис. 1.4. Оптимальный режим работы фотоэлемента

Спектральная характеристика отражает характер зависимости величины фототока короткого замыкания от воздействия на него лучистых потоков различных длин волн Iкз = f( ).

Порядок выполнения работы

1. Исследование вольт-амперных характеристик СЭ Uн = f(Iн) при Е = сonst.

Схема для снятия вольт-амперной характеристики солнечного элемента приведена на рис. 1.5. Исследуемый фотоэлемент (ФЭ) (рис. 1.6) и чувствительный элемент люксметра закреплены на общем держателе. Люксметр предназначен для измерения освещенности. В качестве источника света используется лампа накаливания мощностью 60 Вт. Изменяя высоту

12

расположения лампы, меняем освещенность исследуемых образцов. С помощью ключа К исследуемый полупроводниковый фотоэлемент подключается к высокоомному цифровому вольтметру V, миллиамперметру А и магазину сопротивлений

R.

ФЭ K

V

A

R

Рис. 1.5. Схема для снятия вольт-амперной характеристики солнечного элемента

Рис. 1.6. Полупроводниковый преобразователь солнечной энергии

13