Розрахунок параметрів та характеристик тонкоплівкового сонячного елементу

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Кафедра електроніки та наносистем

КУРСОВа робота

Розрахунок параметрів та характеристик тонкоплівкового сонячного елементу

студента 3 курсу групи МНТ-18-б

напряму підготовки - 153

«Мікро та наносистемна техніка»

Оніщук М.О.

Керівник: к.т.н., доцент Мартинюк В. В.

м. Вінниця 2020 рік

індивідуальне Завдання

на курсову роботу

з дисципліни «Основи мікро- та наноелектроніки»

студенту 3 курсу гр. МНТ-18Б Оніщуку М. О.

на тему: «Розрахунок параметрів та характеристик тонкоплівкового сонячного елементу»

1. Пропонується: провести аналіз стану питання щодо переваг та недоліків сонячних елементів, зокрема тонкоплівкового сонячного елементу, його основні характеристики та параметри.

2. Розрахувати основні характеристики та параметри тонкоплівкового сонячного елементу та на їх основі зробити висновок.

Основні вихідні дані:

1. вхідна потужність P_вх = 100 Вт/см²

2. відносна діелектрична проникність е = 10,6

3. швидкість рекомбінції носіїв на границі гетеропереходу S = 10⁷ см/с

4. коефіцієнти дифузії дірок D_n = 25; D_p = 2 см²/с

5. температура Т = 300 К

6. час життя електронів ф_n = 10^-9 с

7. концентрація неоскомпенсованих акцепторів в поглинаючому шарі N_a = 10¹¹;N_d = 10¹⁷

АНОТАЦІЯ

тонкоплівковий сонячний елемент

У даній курсовій роботі, на основі відповідних літературних джерел розглянуто та проаналізовано фізико-технічні характеристики сонячних елементів, їх різновиди, історію виникнення та розвиток даних приладів, а також проведено розрахунок основних параметрів тонкоплівкового сонячного елементу, для приблизного розуміння його поведінки.

ЗМІСТ

• ВСТУП
• РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНИЙ ОГЛЯД СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ
• 1.1Історія виникнення та розвиток сонячних панелей
• 1.2Принцип дії сонячного елемента
• 1.3Види сонячних елементів
• 1.4Методи виготовлення і особливості сонячних елементів
• 1.5Основні параметри та робоча ВАХ сонячних елементів
• 1.6Основні переваги та недоліки сонячного елемента
• РОЗДІЛ 2. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОПЛІВКОВОГО СОНЯЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ
• 2.1Опис подальших кроків для розрахунку параметрів та характеристик тонкоплівкового сонячного
• 2.2Моделювання роботи тонкоплівкового сонячного елементу
• 2.3Розрахунок основних параметрів тонкоплівкового сонячного елементу за його еквівалентною схемою
• 2.4Розрахунок ширини області просторового заряду та квантового виходу тонкоплівкового сонячного елементу
• ВИСНОВКИ
• ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

ВСТУП

Електрична енергія - це важливий ресурс на нашій планеті, з кожним роком використання якої лише збільшується. Викопні паливні ресурси не є нескінченними, а екологічна шкода, що завдається навколишньому середовищу, під час видобування та переробки змушує задуматися про перехід на відновлювану енергію. Однією з таких є сонячна енергія, а для її перетворення в електрику використовують сонячні елементи.

Сонячний елемент (СЕ) або ж фотоелектрична комірка - пристрій який перетворює частину світлової енергії у електрично на основі фотоелектричного ефекту.

Мета даної курсової роботи полягає у тому, щоб розглянути основні параметри та характеристики сонячних елементів, на основі наукових та цифрових літературних джерелах.

У якості завдання зосередимося на розрахунку основних параметрів тонкоплівкового елементу, узявши декілька певних вхідних значень, необхідних для певного середовища або сфери використання.

Основна цінність даних розрахунків полягає у дослідження залежності вхідних значень, на вигляд основних параметрів, що дасть зрозуміти роботу, та переваги даного виду сонячних елементів в тій чи іншій сфері застосування.

РОЗДІЛ 1. ТЕОРЕТИЧНИЙ ОГЛЯД СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТІВ

1.1 Історія виникнення та розвиток сонячних панелей

Використання сонця в якості джерела електроенергії почалося з 1839 р., коли Беккерель відкрив так званий фотогальванічний ефект. Через деякий час, а саме 44 роки Фріттс сконструював перший модуль СЕ з використанням селен, покритим тонким шаром золота.

Перші сонячні панелі -- з кремнію, а не з селену -- випустила компанія Bell Labs 1954 р. котрі використовуються і дотепер. У той час їхній ККД був лише 4%. Вартість енергії, що була вироблена за їх допомогою, становила тоді 300 доларів за 1 кВт, а це було в рази менше, аніж викопні види палива, що були значно дешевшими.[1]

Рисунок 1.1. Найбільша у світі сонячна станція, що знаходиться у Марокко, Франція.[3]

Розвиткові технології виробництва сонячних панелей продовжився лише завдяки дослідженням їхніх властивостей в космічній галузі. З 1958 року сонячні панелі активно почала використовувати NASA. Фахівці організації використовували їх на супутниковому обладнанні, космічних обсерваторіях, станціях.

Дослідження виконувалися не лише науковими та технічними бюро і організаціями, а й навчальними закладами. Так у США університет збудував будинок, яка забезпечувалася електричною та тепловою енергію лише з використанням сонячних панелей.

Із розвитком даної технології перетворення енергії, її використовують в усіх галузях, з'являються літаки із сонячними панелями, домашні й промислові сонячні електростанції. Вони витісняють з виробництва електроенергії шкідливі, неекологічні станції на викопних видах палива.

Уже сьогодні сонячні панелі використовують у багатьох галузях, що підтверджує ефективність даного виду енергетики.[2]

1.2 Принцип дії сонячного елемента

Дія СЕ проявляється фізичним принципом, при якому перенесення заряджених частинок виникає під дією сонячного світла між двома напівпровідниками з різними типами провідності. СЕ виробляється на основі пластинки, виконаної з напівпровідникового матеріалу, що містить області з р- і n- типами провідності, тобто який має p-n перехід.

Рисунок 1.2. Сонячний елемент.[4]

Перетворення сонячної енергії в електричну, супроводжується наступними процесами: 1 - поділ зарядів; 2 - перехід (рекомбінація); 3 - пропускання; 4 -затінення фотонів із зовнішніми контактами.[6]

Принцип реакції на сонячне випромінювання СЕ наступний: носії заряду діляться - напівпровідник p-типу отримує надлишок позитивного заряду, а напівпровідник n-типу одержує надлишок негативного заряду. Між n- і p- шарами р-n переходу виникає так звана різниця потенціалів. Це явище отримало назву фото ЕРС. Полярність даного явища відповідає саме "прямому" зсуву p-n переходу, що знижує область потенційного бар'єра й завдяки цьому сприяє інжекції дірок з p- в n-область і електронів з n- в p-область. Результатом даних перетворень є утворення носіїв під дією світла і їх відтоку через зниження висоти потенційного бар'єру. Коротке замикання p-n переходу в електричному колі призведе до протікання струму у електричному колі, який пропорційний інтенсивності сонячного освітлення.

Енергія фотонів, що взаємодіє із СЕ визначається таким виразом:

(1.1)

де h - постійна Планка (6,63 Ч 10^-34);

н - частота випромінювання сонячного світла.

Згідно із зонною теорією, якщо енергія фотонів які поглинулись більша за ширину забороненої зони (ЗЗ) напівпровідника СЕ (E_ф > E_з), то відбувається звільнення носіїв - фотоелектронів та дірок, що зветься фотовольтаїчним. Різні напівпровідники мають різне значення граничної частоти, що визначається шириною ЗЗ і нижче якої поділ носіїв не відбувається.

Довжина хвилі, при якій фотони поглинатимуться в напівпровіднику СЕ із певною шириною забороненої зони E_g визначається за формулою:



Випромінювання які мають високу частоту (довгохвильове) не поглинатиметься в СЕ. [5]

1.3 Види сонячних елементів

СЕ виробляють на основі напівпровідників з різною провідністю або хімічним складом. Більшість СЕ виготовляють із кремнію. ККД СЕ залежить від цільної структури напівпровідникових матеріалів та його провідності. У виробництві для цього намагаються використовувати кремній, що має малу кількість дефектів. Так як кремній є найпопулярнішим елементом що використовується у цій галузі, близько 80% усіх СЕ виготовляються на основі цільного (монокристалічного) або роздробленого (полікристалічного кремнію. СЕ на основі монокристалічного кремнію мають ККД до14%, полікристалічного - в середньому 12%. Строк служби кристалічних елементів складає 30-50 років. СЕ на основі аморфного кремнію мають низький ККД близько 8%, тому рідко застосовуються в силовому обладнанні.

У випадку, якщо кілька фотоелектричних комірок певним чином електрично з'єднаних між собою, загорнутих в пластик, скло, а для жорсткого зв'язку і захисту з'єднані з використанням алюмінієвої рами - називаються сонячною панеллю.

Цінова характеристика СЕ визначається вартістю та кількістю використаного напівпровідникового матеріалу. Для досягнення необхідного рівня ККД використовують кремній, що має найменшу кількість домішок та дефектів, а це підвищує його вартість, адже ускладнюється технологія виготовлення. [8]

Технологічно виготовлення СЕ поділяється на такі види:

· монокристалічні;

· полікристалічні;

· тонкоплівкові.

Рисунок 1.3. Види сонячних елементів: тонкоплівкові, моно та полікристалічні відповідно.[10]

Монокристалічні елементи виготовляються на основі монокристалічного кремнію із заданою орієнтацією осі високої чистоти, тобто з мінімальною кількістю домішок. Сонячні елементи мають скруглення, а тому такий вид надає їм вигляду що нагадує бджолині соти. Поверхню елементів покривають анти відбиваючим покриттям.

Полікристалічні елементи виготовляються на основі полікристалічного кремнію, що є дешевший, аніж монокристал. Невелика вартість елементів пояснюється тим, що витрати енергії даної технології виробництва не перевищує затрат в порівнянні із іншими методами, а заготовка являється неоднорідною, тобто складається з великої кількості кристалів з випадковою орієнтацією осі. Поверхня такої панелі чорна і виглядає неоднорідною, клітини, як правило, квадратної форми.

Тонкоплівкові СЕ виготовляються на основі тонких плівок, при якому використовують тонке напилення на підложку. Така спрощена технологія дозволяє значно зменшити використання великої кількості кремнію, а отже і знизити їхню вартість. Використовують й інші напівпровідникові матеріали, наприклад, телурида кадмія (CdTe) або селеніду індія та міді (CIS). Зверху напилення покривається захисною плівкою. ККД тонкоплівкових СЕ складає 8 %, недоліком таких СЕ є деградація їх властивостей під дією сонячного випромінювання.[9]

1.4 Методи виготовлення і особливості сонячних елементів

На сьогоднішній день є багато технологічних рішень і промислових розробок СЕ та методів їх виготовлення. Найбільш поширені є монокристалічні СЕ.

Основні технічні вимоги при виробництві СЕ є такими:

1) Матеріал, з якого виготовляється СЕ, повинен бути хімічно високочистим із стійкими властивостями.

2) СЕ повинні виготовлятися у великій кількості при мінімальній вартості; при цьому необхідно забезпечити загальний контроль за процесом їх виготовлення і високий рівень точності.

3) СЕ повинні мати термін служби не менше 20 років в умовах дії (часто шкідливого) навколишнього середовища. Слід враховувати, що навіть без концентрації сонячного випромінювання робоча температура фотоелемента може змінюватися в діапазоні від -30 до +200 ?. Електричні контакти повинні бути стабільними і захищеними від усіх видів корозії. Пристрій повинен бути водозахищеним.

4) Конструкція повинна бути такою, що вихід з ладу одного елементу не приводив до відключення усієї системи. Для цього використовуються паралельні і послідовні з'єднання, які повинні виключати можливість виходу з ладу інших елементів.

5) Збірні модулі потрібно розробляти із врахуванням транспортування навіть у важкодоступні та віддалені райони. [13]

Кристали для СЕ вирощують із застосуванням різних технологій, кожна з яких має свої переваги і недоліки. Для отримання монокристалів використовують матеріали у вигляді полікристалічних заготовок, що мають високу чистоту, концентрація домішок у яких повинна бути досить малою.

Метод Чохральського. Метод полягає у зануренні невеликого кристала-приманки в розплавлений матеріал. Домішки (наприклад, бор - акцептор для отримання монокристала р-типу) додаються у розплав. Кристал, що поступово виріс із зародка, виштовхується з розплаву. У результаті вирощування, такий кристал досягає 15 см. Далі монокристал розрізається на частини товщиною приблизно 300 мкм, але при такій маніпуляції, втрачається близько 40-50% кристалічного матеріалу, що робить вирощування монокристалів недостатньо ефективним та затратним.

Зонна плавка. Матеріалу що має використовуватися як сировина надають форму стрижня. Робоча зона у якій відбувається розплав проходить уздовж стрижня внаслідок нагріву його поверхні струмом високої частоти або лазером. Цей процес і очищає матеріал, і формує монокристал. Монокристал потрібно розрізати і обробити, як і в інших способах.

Стрічковий метод. Даний метод є більш економічним, адже він виключає різання кристала і наявність відходів, оскільки тут вирощується тонка стрічка монокристала до 10 см завширшки і товщиною 300 мкм. Стрічка зберігається намотаною на котушку великого діаметра, а при необхідності потрібний шматок відрізається.

Вакуумне напилення. Метод універсальний, тобто використовується на різних стадіях виготовлення фотоелемента. Вакуумне напилення самого кремнію є складним і не завжди буває успішним.

Литво. У даному методі отримують полікристалічний матеріал. Обробка відбувається за допомогою хімічного витравлення. Формування тонкого шару матеріалу n-типу відбувається у процесі дифузії донорів (наприклад, фосфору) в поверхневий шар. Для цього використовують нагрівання плівок до 1000 ? у вакуумній камері, в яку подається P₂O₅, але найчастіше плівки нагрівають в атмосфері азоту з добавкою РОС₁₃. [11]

1.5 Основні параметри та робоча ВАХ сонячних елементів

Одними із основних параметрів СЕ є:

1. Струм короткого замикання - максимальний струм, що протікає в замкненому колі при нульовому значенні опору навантаження, визначається за виразом (при U=0).

2. Напруга холостого ходу U_х.х. - це максимальна фото-ЕРС при розімкнутому зовнішньому колі.

3. Коефіцієнт заповнення (fill factor) FF - відношення потужності навантаження до максимальної потужності.

4. Коефіцієнт корисної дії (ефективність) з - відношення максимальної потужності, до потужності оптичного випромінювання, яке потрапляє на робочу поверхню.

Вольт-амперна характеристика фотоелемента відрізняється від вольт-амперної характеристики напівпровідникового діода появою струму, що генерується елементом під дією освітлення , частина якого протікає крізь діод , а друга частина струму - крізь зовнішню напругу.[13]

Рисунок 1.4. Робоча ВАХ сонячного елемента [14]

Точка перетину кривої вольт-амперної характеристики з горизонтальною віссю, по якій вимірюється напруга, називають напругою холостого ходу (U_хх), а з вертикальною, по якій відкладається струм - струмом короткого замикання (I_кз). Максимальною Р_м визначається найбільша потужність, яку можна одержати з ФМ в стандартних умовах випробувань. Напруга, відповідна максимальній потужності, є напругою максимальної потужності (робоча напруга - U_р), а відповідний струм - струмом максимальної потужності (робочим струмом - I_р)

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їх залежність від температури. В яскравий сонячний день СЕ в модулях нагріваються, втрачаючи ККД через падіння напруги на кожному p-n переході.

За умов нагріву сонячного елемента на один градус після 25?, він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4% на 1?.[13]

Рисунок 1.5. Криві ВАХ в умовах нагріву кремнієвих кристалічних сонячних елементів [14]

1.6 Основні переваги та недоліки сонячного елемента

Основними перевагами СЕ є:

· Робота відбувається без викидів що негативно впливають на навколишнє середовище;

· Менше використання викопного палива;

· Забезпечення високої експлуатаційної надійності установки, за рахунок відсутності у СЕ рухомих частин;

· Система установлюється відповідно до реальної потреби користувачів, з більшою кількістю елементів або меншою, відповідно більша або менша потужність.

Основними недоліками СЕ є:

· Велика ціна панелі та виготовлення деяких видів СЕ і сонячної батареї або станції в цілому;

· Виробництво енергії лише за при сухій погоді без опадів та не постійно через зміну дня і ночі;

· Для забезпечення нормального режиму роботи, потрібно очищувати поверхню СЕ від пилу та опадів.

Розподіл сонячної енергії, в залежності від різних факторів, що надходить до сонячного елементу виглядає так:

· 3% - втрати, через віддзеркалення або затінення поверхні СЕ верхніми контактами;

· 23% - енергія, яка утворюється у вигляді тепла під час роботи і викликає нагрівання СЕ;

· 74% - енергія сонячного випромінювання з частотою вище ніж мінімальна, що спроможна викликати фотоефект.

Енергія сонячного випромінювання, з вищою за мінімальну частоту, в свою чергу розподіляється наступним чином:

· 13% - генерація корисної електричної енергії;

· 32% - фотони, які не були застосовані в розподілі;

· 8,5% - процес рекомбінації вільних носіїв заряду;

· 20% - утворення просторового електричного заряду в елементі;

· 0,5% - втрати провідності.

Аби зменшити витрати у СЕ використовуються різні методи. До їх числа відносяться:

· Створення послідовності сонячних елементів із підібраною забороненою зони напівпровідників, що дозволяють перетворити в кожній послідовності (каскаді) випромінювання, що пройшло через попередній каскад;

· Покращення конструкції параметрів сонячних елементів (глибини залягання p-n-переходу, товщини базового шару, частоти контактної сітки тощо);

· Застосування оптичних покриттів, що забезпечують просвітлення, терморегулювання і захист сонячних елементів від космічної радіації;

· Покривання СЕ антибликовою поверхнеюею для зменшення коефіцієнта відбиття.[12-7]

На основі характеристик СЕ складемо порівняльну таблицю, аби розуміти їх усі переваги та недоліки.

Таблиця 1.1. Порівняння видів напівпровідникових СЕ [15]

Тип	Переваги	Недоліки	Область використання
СЕ на основі монокристалічного кремнію	- ККД 17-19 %; - підвищена надійність роботи до 25-50 років; - збереження стабільності параметрів.	- висока вартість; - низька технологічність; - висока потреба до відповідного кута установки; - висока вартість технології виготовлення	1) професійні енергоустановки; 2) системи живлення космічних апаратів; 3) високоякісні сонячні системи.
СЕ на основі полікристалічного кремнію	- низька вартість вироблення енергії; - висока технологічність; - стабільність параметрів.	- дещо нижчий ККД 15-17%; - менша стабільність параметрів.	1) висока якість енергоустановки; 2) приватне використання; 3) фотоелектричні побутові пристрої (зарядні пристрої моб. тел., ноутбуків, вимірювальна техніка
Тонкоплівкові СЕ на основі аморфного кремнію	- висока технологічність; - низька вартість вироблення енергії.	- низький ККД 7-11%; - нестабільність параметрів; - низький строк служби через вигорання.	1) поширені більш дешеві приватні сонячні енергосистеми; 2) системи світлодіодного побутового освітлення 3) пристрої у побуті

Із даної таблиці можна зробити висновок, що СЕ який нас цікавить (тонкоплівковий) дешевий у виготовленні, проте має деякі недоліки, котрі впливають на сферу використання даного СЕ.

Перейдемо до другого розділу, в якому розрахуємо основні параметри тонкоплівкового елемента, змоделюємо його роботу і зробимо висновки на основі цих даних.

РОЗДІЛ 2. РОЗРАХУНОК ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ТА ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКОПЛІВКОВОГО СОНЯЧНОГО ЕЛЕМЕНТУ

2.1 Опис подальших кроків для розрахунку параметрів та характеристик тонкоплівкового сонячного

Щоб описати сонячні елементи застосовується набір спеціальних параметрів і характеристик, що дозволяє виробляти порівняльну оцінку сонячних елементів різного типу.

Для розрахунку будемо використовувати такі основні параметри:

1. Струм короткого замикання - І_к.з.

2. Напруга холостого ходу - U_х.х.

3. Коефіцієнт заповнення - FF

4. Коефіцієнт корисної дії - з

Розрахунок буде відбуватися у програмному середовищі GVPDM (General-purpose Photovoltaic Device Model) за результатами моделювання. Сам тонкоплівковий СЕ буде на основі шарів із CdTe p- типу та CdS n- типу провідності.

Також у даному розділі будуть розраховані не менш важливі параметри -ширина області просторового заряду та квантовий вихід, які визначають ефективність СЕ.

2.2 Моделювання роботи тонкоплівкового сонячного елементу

Моделювання будемо проводити у програмному середовищі GVPDM, що використовується саме для цих цілей. Даний метод розрахунку буде доцільним у цьому розділі по тій причині, що сучасні технології не стоять на місці, а за допомогою ось таких середовищ можна робити припущення, для зменншення похибок у реальній моделі СЕ

У даному програмному середовищі можна проводити такі моделювання:

- Витяг заряду за допомогою перехідних процесів лінійно зростаючої напруги (CELIV)

- Темні / світлі перехідні процеси фото-CELIV

- Перехідний фотострум (TPC)

- Перехідна фотонапруга (TPV)

- Модульована інтенсивністю фотострумова спектроскопія (IMPS)

- Перехідні напруги довільної форми

Трасування променя

Рисунок 2.1. Загальний вигляд активного вікна програмного середовища GVPDM[16]

Для створення шарів можна використати бібліотеку матеріалів, якщо ж там будуть відсутні потрібні нам шари, можна створити їх самостійно, знаючи їхні основні енергетичні та електричні характеристики.



Рисунок 2.2. Енергетичні та електричні параметри шарів CdTe та CdS відповідно[16]

Рисунок 2.3. Тонкоплівковий елемент на основі шарів із CdTe p- типу та CdS n- типу провідності[16]

Для того, щоб знайти основні характеристики нашого СЕ запустимо симуляцію та дочекаємося її завершення. За результатами було отримано такі параметри як:

1. U_х.х. = 2,5 В

2. І_к.з. = 4.88 А

3. FF = 0,26 %

4. з = 0.007523 %

У програмному середовищі GVPDM розраховані також й інші параметри СЕ, що представлені на рис 2.4

Рисунок 2.4. Параметри тонкоплівкового СЕ за результатами симуляції у програмному середовищі[16]

Також було отримано наступну світлову ВАХ:

Рисунок 2.5. Світлова ВАХ тонкоплівкового СЕ[16]

Результати говорять про те, що використання даного тонкоплівкового елементу для малих покривних площ є недоцільним методом. Хоч і вид таких СЕ є дешевим, через мале використання напівпровідникових матеріалів, проте він має малий термін роботи (5-10 років), потребує великої площі для достатнього ККД.

2.3 Розрахунок основних параметрів тонкоплівкового сонячного елементу за його еквівалентною схемою

Еквівалентна електрична схема СЕ використовується також для розрахунків параметрів і може бути наглядно використана для пояснення роботи СЕ в цілому.

Рисунок 2.5. Еквівалентна електрична схема СЕ

Потік генерованих світлом носіїв утворює фотострум I_ф. Величина I_ф дорівнює числу фотогенерованих носіїв, які пройшли через p-n-перехід за одиницю часу:

q - величина заряду електрона (1,6 *10^-19 Кл);

P_вх - потужність поглиненого монохроматичного випромінювання;

h - постійна Планка (6,63 * 10^-34);

н - частота електромагнітного випромінювання (сонячного світла - 3*10¹⁵).

Тут передбачається, що в напівпровіднику кожен поглинений фотон з енергією hv створює одну електронно-діркову пару.

Розрахуємо значення фотоструму підставивши відомі значення:

При нульових внутрішніх омічних втратах в сонячному елементі режим короткого замикання еквівалентний нульовій напрузі зміщення p-n-переходу, тому струм короткого замикання І_кз рівний фотоструму:

При розімкнутому зовнішньому ланцюзі p-n-переходу фото-електрони потрапляючи в n-область, накопичуються в ній і заряджають n-область негативно. Надлишкові дірки, що залишаються в p-області заряджають її позитивно. Таким чином виникає різниця потенціалів, що є напругою холостого ходу U_x.x. Полярність U_x.x. відповідає прямому зсуву p-n-переходу.

k - постійна Больцмана (1,38 * 10^-23 Дж/К);

Т - абсолютна температура, К;

I₀ - струм насичення( 6*10^-6).

Підставимо відомі значення та розрахуємо значення за формулою 2.3:

Коефіцієнт заповнення ВАХ (FF) - це відношення площі фігури відокремленої лінією до площі квадрату ВАХ. Можна сказати, що чим більше FF, тим менше втрати в елементі через внутрішній опір. Коефіцієнт заповнення ВАХ може також використовуватися для визначення опору сонячного елемента/

U_p.max - напруга в точці максимальної потужності (ТМП);

I_p.max - струм в ТМП;

U_X.X. - напруга холостого ходу;

I_к.з. - струм короткого замикання.

Розрахуємо коефіцієнт заповнення на основі змодельованої ВАХ у пункті 2.2:

Найголовніший із параметрів це коефіцієнт корисної дії з - відношення максимальної потужності, до потужності оптичного випромінювання, яке потрапляє на робочу поверхню:

Так як усі дані що потрібні для розрахунку ми маємо, то підставимо їх у формулу 2.5

Отже, за результатами розрахунків параметрів СЕ за його еквівалентною електричною схемою маємо такі результати

1. U_х.х. = 0,365 В

2. І_к.з. = 8,044 А

3. FF = 1,36 %

4. з = 0,039 %

2.4  Розрахунок ширини області просторового заряду та квантового виходу тонкоплівкового сонячного елементу

Параметри, що визначають ефективність фотоелектричного перетворення світла є одними із найважливіших, та використовується для аналізу рекомбінаційних втрат в СЕ є ширина області просторового заряду (d), інакше кажучи, на контакті гетеропари виникає область збіднення. Ця ширина головним чином залежить від концентрації нескомпенсованих акцепторів N_a - N_d

Рисунок 2.6. Спектральні залежності пропускання структур скло/CdS/CdTe (1) та скло/ZnO/ZnS/CdTe (2) для порівняння при товщині CdS(ZnS): 50 нм (а), 300 нм (б), ITO (ZnO): 200 нм

Ширина області об'ємного заряду може бути знайдена за використанням виразу:

е - відносна діелектрична проникність матеріалу;

е₀ - діелектрична проникність вакууму;

ц₀ - висота бар'єру на ГП;

U - прикладена зовнішня напруга;

q- заряд електрону;

(N_a - N_d) - концентрація нескомпенсованих акцепторів в поглинаючому шарі.

Розрахунок ширини області об'ємного заряду допомагає нам визначити квантовий вихід (Q) СЕ n-CdS / p-CdTe за такою формулою:

S - швидкість рекомбінації носіїв на границі гетеропереходу;

D_n, D_р - коефіцієнти дифузії дірок;

б - коефіцієнт поглинання світла в шарі CdTe:

л - довжина хвилі;

k - стала Больцмана;

Т - температура;

L_n - дифузійна довжина електронів:

ф_n - час життя електронів.

Основні параметри величин, які будуть використані для визначення значень d та Q: відносна діелектрична проникність матеріалу е = 10,6 Ф/м; діелектрична проникність вакууму е₀ = 8,85 * 10^-12 Ф/м; висота бар'єру на ГП

ц₀ = 0,70 еВ; заряд електрону q = 1,6 * 10^-19; концентрація нескомпенсованих акцепторів в поглинаючому шарі N_a = 10¹¹, N_d = 10¹⁷ см^-3; швидкість рекомбінації носіїв на границі гетеропереходу S = 10⁷ см/с; коефіцієнти дифузії дірок D_n = 25, D_р = 2 см²/с; стала Больцмана k = 1,38 * 10^-23 Дж/К; температура Т = 300 К; час життя електронів ф_n = 10^-9 с

Розрахуємо коефіцієнт поглинання світла в шарі CdTe та лифузійну довжину електронів за формулами 2.8 - 2.9 відповідно для подальшого розрахунку:

Розрахуємо ширину області просторового заряду і квантовий вихід нашого СЕ:

Слід зазначити, що вираз (2.7) не враховує рекомбінацію на тильній поверхні шару CdTe, яка може призвести до значних втрат ефективності перетворювача у випадку малої товщини поглинаючого шару.

Рисунок 2.8. Розрахований квантовий вихід (Q) СЕ при різних значеннях концентрації нескомпенсованих акцепторів у шарі CdTe (N_a - N_d) для ГП n-CdS/p-CdTe

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз сонячних елементів на основі наукових та літературних джерел

2. Розраховано параметри тонкоплівкового СЕ за допомогою симуляції у програмному середовищі GPVDM:

· U_х.х. = 2,5 В

· І_к.з. = 4.88 А

· FF = 0,26 %

· з = 0.007523 %

3. Розраховано параметри тонкоплівкового елементу на основі еквівалентної електричної схеми а також даних із симуляції:

· U_х.х. = 0,365 В

· І_к.з. = 8,044 А

· FF = 1,36 %

· з = 0,039 %

4. Також було розраховано такі параметри як:

· ширину області просторового заряду d = 22,6*10⁶ см^-3

· квантового виходу тонкоплівкового сонячного елементу Q = 1,00001

ПЕРЕЛІК ПОСИЛАНЬ

тонкоплівковий сонячний елемент

1. Рей Д., Макмайкл Д. Солнечные панели. - М.:Энергоиздат, 1982. -224 с.

2. Рогинский В. Современные источники электропитания. -- Л.:"Энергия", 1969. С.:104

3. Найбільша у світі сонячна станція [Електронний ресурс] // Unian. - 2016. - Режим доступу до ресурсу: https://images.unian.net/photos/2016_02/1454606070-8031.jpg

4. Калабушкина Н. М. Традиционные и перспективные фотоэлектрические модули и их применение в фото энергетических системах / Н. М. Калабушкина, С. В. Киселева, С. В. Михайлин. // Международный научный журнал "Альтернативная энергетика и экология". - 2013. - №13. - С. 10-18.

5. Чучун В. П. Альтернативні джерела енергії / В. П. Чучун, С. М. Уминський, С. В. Інютін. - Одеса: ТЕС, 2015. - 347 с. - (Одеський державний аграрний університет).

6. Крюков К.В., Сазонов В.В., Кваснюк А.А. Использование фотоэлектрических преобразователей в системах электроснабжения // Труды Всероссийской научно-практической конференции, г. Москва, 1-3 июня 2010 г. - Москва, Россия / Т.2:Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем. - 2010, Секция 5-9. - С. 111-112.

7. Алфёров Ж.И., Андреев В.М., Румянцев В.Д. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников. - 2004. - том 38. - С. 941-942

8. Гременок В. Ф. Солнечные элементы на основе полупроводниковых материалов / В. Ф. Гременок, М. С. Тиванов, В. Б. Залесcкий. - Минск, 2007. - 222 с. - (Центр БГУ).

9. Сонячні батареї та їх основні види [Електронний ресурс] // ГЕКСАГОН. - 2020. - Режим доступу до ресурсу: https://hexagon-energy.com.ua/ua/articles/9.solnechnie_batarei_i_ih_osnovnie_vidi.

10. Топ-3 порад щодо вибору сонячних панелей [Електронний ресурс] // IKNET. - 2016. - Режим доступу до ресурсу: https://iknet.com.ua/uk/articles/useful-to-know/solar-panels-choosing/.

11. Нетрадиційні та відновлювані джерела енергії / Кудря Степан Олександрович. ? Підручник. - Київ: Національний технічний університет України («КПІ»), 2012. - 495 с

12. Асланян Г.С. Возобновляемые источники энергии на мировой сцене /Г.С. Асланян, С.Д. Молодцов // Энергия. - 1997. - № 3. - С. 2-10.

13. Крвавич Ю. О. Альтернативні джерела енергії [Електронний ресурс] / Ю. О. Крвавич // Шнайдер Електрик Україна. - 2016. - Режим доступу до ресурсу: http://koravt100.blogspot.com/2016/05/blog-post.html.

14. Photovoltaic energy, electricity from the sun : [Електронний ресурс] / Daniel Fraile, Marie Latour, Adel El Gammal, Michael Annett. // EPIA Publications. -vol.50.- april 2010. - Режим доступу World Wide Web: http://www.epia.org/publications/photovoltaic-publications-global-market-outlook.html

15. Солнечная энергетика: обзор отрасли : [Електронний ресурс] / по материалам компании Nitol Solar Limited. - Режим доступу World Wide Web: http://nitolsolar.com/rusolarenergy/

16. PCBM solar cells, The Journal of Physical Chemistry C, 115, 9806--9813, 2011

Размещено на Allbest.ru

...