Способи виготовлення сонячниз батарей

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені  І. ФРАНКА

ФАКУЛЬТЕТ ЕЛЕКТРОНІКИ

 

 

 

 

Реферат

на тему:

“Способи виготовлення сонячниз батарей”

 

 

 

 

 

 

Виконав:

Студент групи ФЕРс-52

Канюк Ю.І.

Викладач:

доц. Ковальчук М.Г.

 

 

 

 

 

Львів 2013

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………………….3

1.Фотоелектрична  фізика………………………………………....…….4

1.1.Фотоефе́кт………………………………………………………………………4             1.2.Фотогенерації носіїв заряду…………………………………………………… 4

1.3.Характеристичне рівняння…………………………………………………….6

1.4.Напруга холостого ходу і короткого замикання……………………………..7

1.5.Вплив фізичних розмірів………………………………………………………...8

1.6.Динаміка температури…………………………………………………………9

1.7.Залежність напруги  від навантаження………………………………..……..10

1.8.Зворотний струм насичення………………………………………………….11

1.9.Фактор ідеальності……………………………………………………………12

2.Сонячні елементи……………………………...………………...12

2.1.Втрати у сонячному елементі……………………………………………….12

2.2.Ефективність………………………………………………………………….13

2.3.Вартість………………………………………………………………………..14

2.4.Матеріали…………………………………………………………15

3.Матеріали та  технології…………………………………17

3.1.Криталічний кремній…………………………………………………………..17

3.2.Тонкі плівки………………………………………………………………………17

3.3.Телурид кадмію…………………………………………………………………..18

3.4.Мідь індію галію, селеніду………………………………………………………18

3.5.галій арсенід багатоперехідних………………………………………………..18

3.6.Світло- поглинаючі барвники (DSSC)………………………………………...19

3.7.Квантові точки сонячних систем (QDSCs)…………………………………19

3.8.Органічні / полімерні сонячні елементи……………………………………..20

3.9.Тонкі плівки кремнію…………………………………………………………...20

3.10.Сонячні 3D-панелі……………………………………………………………..22

4.Методи дослідження………………………………………………..23

Висновок………………………………………………………………...24

Список літертури……………………………………………………...25

 

 

Вступ

Со́нячний елеме́нт (фотоелемент, фотоелектричний перетворювач — ФЕП) — це напівпровідниковий прилад, що служить для перетворення світлової енергії у електричну. В основі цього перетворення лежить явище фотоефекту.

Сонячна батарея - побутовий термін, що використовується в розмовній мові або ненауковою пресі. Зазвичай під терміном «сонячна батарея» мається на увазі кілька об'єднаних фотоелектричних перетворювачів ( фотоелементів ) - напівпровідникових пристроїв, прямо перетворюють сонячну енергію в постійний електричний струм.

На  відміну від сонячних колекторів, які виробляють нагрівання матеріалу- теплоносія. сонячна батарея виробляє безпосередньо електрику . Однак для виробництва електрики з сонячної енергії використовуються і сонячні колектори : зібрану теплову енергію можна використовувати і для вироблення електрики. Великі сонячні установки, які використовують висококонцентроване сонячне випромінювання в якості енергії для приведення в дію теплових і інших машин (парової, газотурбінної, термоелектричної тощо), називаються геліоелектростанцією (ГЕЕС).

Різні пристрої, що дозволяють перетворювати  сонячне випромінювання в теплову  та електричну енергію, є об'єктом  дослідження геліоенергетики (від гелиос грец. Ήλιος , Helios - сонце). Виробництво фотоелектричних елементів і сонячних колекторів розвивається швидкими темпами в самих різних напрямах. Сонячні батареї бувають різного розміру: від вбудованих в мікрокалькулятори до розмірів даху автомобілів та будинків.

Різні матеріали, відображати різні ефективності і різні витрати. Матеріали для ефективних сонячних батарей, повинні мати характеристики які відповідають спектру освітленості. Деякі елементи призначені для ефективного перетворення довжин хвиль сонячного світла, що досягає поверхні Землі. Тим не менш, деякі сонячні батареї, оптимізовані для поглинання світла за межами земної атмосфери.  Світло поглинаючих матеріалів може бути використана в декількох фізичних конфігурацій, щоб скористатися різними поглинання світла і механізмами поділу зарядів.

Матеріали в даний час використовується для фотоелектричних сонячних елементів. включають монокристалічний кремній ,полікристалічний кремній , аморфний кремній , телуриду кадмію і міді селеніду індію -сульфіду. 

Інші  матеріали виконані у вигляді тонких плівок, органічні барвники , органічні полімери , які наносяться на підтримку субстратів .Третя група виготовляються з нанокристалів і використовуються в якості квантових точок (електронно-обмежуючих наночастинок ). Кремній є єдиним матеріалом, який добре досліджений як в об'ємних і тонкоплівкових формах.

 

 

 

 

 

 

1.Фотоелектрична  фізика

1.1.Фотоефе́кт

Фотоефе́кт — явище «вибивання» світлом електронів із металів.

Щоб вивільнити електрон із металу йому необхідно  передати енергію, більшу за роботу виходу.

Теоретичне  пояснення явища дав Альберт Анштайн, за що отримав Нобелівську премію. Анштайн використав гіпотезуМакса Планка про те, що світло випромінюється порціями (квантами) із енергією, пропорційною частоті.

Припустивши, що світло і поглинається такими ж  порціями, він зміг пояснити залежність швидкості вибитих електронів від  довжини хвилі опромінення.

,

де  ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу.

1.2.Фотогенерації носіїв заряду

Коли фотон потрапляє на пластину кремнію, одна з трьох речей може відбутися:

1. фотон може пройти прямо через кремній - це (як правило) відбувається по нижній фотонній енергії,
2. фотон може відбиватися від поверхні,
3. фотон може бути поглинутий кремнієм, якщо енергія фотона більша ніж ширина забороненої зони кремнію. Це створює електронно-дірковову пару, а іноді і тепло, в залежності від зонної структури.

Схема комірки кремнією

Коли  фотон поглинається, його енергія  вириває електрони в кристалічній решітці. Зазвичай цей електрон знаходиться в валентній зоні, а також тісно пов'язаний ковалентними зв'язками між сусідніми атомами, а отже не може переноситись на великі відстані. Енергії, наданим йому фотоном "збуджує" його в зону провідності , де він може вільно пересуватися в напівпровіднику. Наявність відсутнього ковалентного зв'язоку дозволяє пов'язаних електронів сусідніх атомів перейти в "дірку", залишаючи за іншим отвір, і, таким чином, дірка може переміщатися по граткам. Таким чином, можна сказати, що фотони поглинаються в напівпровідникових створеннях, електронно-діркових парах.

Фотони повинні мати більшу енергію,а ніж ширина забороненої зони елемента, для виривання електрона з валентної зони в зону провідності. Однак, сонячний спектр частот приблизно чорного тіла близько 5800 К, таким чином, велику частину сонячної енергії, що досягає Землі складається з фотонів з енергією більше ширини забороненої зони кремнію.Ці більш високі енергії фотонів будуть поглинені сонячною батареєю, перетворюється в тепло (через коливання решітки), а не в корисну електричну енергію.

Є два  основні режими поділу носіїв заряду в сонячних елементах:

1. дрейфових носіїв, рухомих електричним полем, створеним через пристрій
2. дифузійних носіїв, через їх хаотично-тепловий рух, поки вони не будуть захоплені електричним полем, що існує на краях активної області.

У товстих  сонячних батареях немає електричного поля в активній області, таким чином, домінуючим способом поділу зарядів є дифузія. У цих елементах, дифузійна довжина неосновних носіїв заряду повинна бути велике в порівнянні з товщиною комірки. В тонких елементах (такі, як аморфний кремній), дифузійна довжина неосновних носіїв, як правило, дуже коротка через наявність дефектів, і домінуючого поділу зарядів. Отже, дрейф, викликаний електростатичним полем переходу, який поширюється на всю товщину клітини .

Для спрощення, можна уявити, що шар кремнію n-типу в безпосередньому контакті з шаром кремнію р-типу. На практиці, р-п перехід кремнієвих сонячних елементів не проводиться таким чином, а шляхом дифузії n-типу легуючої домішки в одну сторону р-типу пластини (або навпаки).

Якщо  частина кремнію р-типу знаходиться в тісному контакті з частиною кремнію n-типу, то дифузія електронів відбувається з області з високою концентрацією електронів (п-типу стороні переходу) в область низьких концентрацій електронів (р-типу переходу). Коли електрони дифундують через р-п перехід, вони рекомбінуються з дірками в р-типу. Переходи і створюють електричне поле . Електричне поле створює діод , який сприяє зарядженому потоку, відомий як дрейфовий потік , що виступає проти і врешті-решт врівноважує дифузіїю електронів і дірок. Ця облясть, де електрони і дірки поширюються через перехід, називається збідненої області , оскільки вона не містить рухомих носіїв заряду. Він також відомий як області просторового заряду . Він утворюється в результаті осадження з одного матеріалу на поверхні зовнішнього напівпровідникового методом напилення.

Омічний метал -напівпровідник провідність якого здійснюються як n-і р-типу сторін сонячних батарей, а також електроди підключені до зовнішнього навантаження. Електрони, які створюються на n-типу, або були "зібрані" на стику і перйшли на n-тип, може проходити через провід, потужність навантаження, і як і раніше через провідник, поки вони не досягають р- напівпровідник-метал. Тут вони рекомбінують з диркою, яке було створено або електронно-дірковою парою на р-типу стороні сонячної батареї, або дірка, яка перейшла на переході від n-типe після створення.

Напруга дорівнює різниці в квазірівні Фермі неосновних носіїв, тобто електронів в р-типу частині і дірки в n-частині.

 

Еквівалентна схема сонячного  елемента

 

Креслення сонячного елемента

Щоб зрозуміти поведінку електронних  сонячних елементів, це корисно для створення моделі , яка електрично еквівалентна, і заснована на дискретних електронних компонентах, поведінка яких добре відома. Ідеальною сонячною батареєю може бути змодельований за джерелом струму паралельно з діодом, на практиці не сонячна батарея є ідеальною, тому шунт з опором послідовно додаються в модель.  В результаті еквівалентну схему сонячного осередку показано на малюнку.

1.3.Характеристичне рівняння

З еквівалентної  схеми видно, що струм, створюваний  сонячним елементом дорівнює джерелу  струму, мінус те, що тече через діод, мінус те, що проходить через шунтувальний резистор: 

де

• Я = вихідний струм ( ампер )
• Я _L = фотогенерірованних струму (ампер)
• Я _D = струм діода (ампер)
• Я _SH = шунт струму (ампер).

В даний час за допомогою цих  елементів регулюється напруга  на них:

де

• V _J = напругу і діод і резистор R _SH ( вольт )
• V = напруга на вихідні клеми (В)
• Я = вихідний струм (ампер)
• R _S = послідовний опір ( Ω ).

Динистор , поточний направляється через діод:

де

• Я ₀ = зворотний струм насичення (ампер)
• N = діод фактор ідеальності (1 для ідеального діода)
• д = елементарний заряд
• до = постійна Больцмана
• T = абсолютна температура
• При температурі 25 ° C,  напруга.