Точка пересечения ВАХ с осью токов соответствует значению тока короткого замыкания (Iкз). Величина этого тока зависит от площади выпрямляющего p-n перехода, поэтому ее также используют в качестве характеристики фотоэлемента. У кремниевых фотоэлементов плотность тока короткого замыкания при средней освещенности солнечным светом имеет порядок ~20 ÷ 25 мА/см2.
По ВАХ при разных освещенностях фотоэлемента можно выбрать оптимальный режим работы фотоэлемента, т.е. оптимальное сопротивление нагрузки, при котором в нагрузке будет выделяться наибольшая мощность. Оптимальному режиму работы фотоэлементов соответствует наибольшая площадь прямоугольника с вершиной на ВАХ при данной освещенности. Для кремниевого фотоэлемента при оптимальной нагрузке напряжение на нагрузке порядка 0,35 ÷ 0,40 В, а плотность тока 15 ÷ 20 мА/см2.
2. Световые характеристики фотоэлемента.
Зависимость тока короткого замыкания фотоэлемента от освещенности имеет вид, приведенный на рис. 4. Характер ее поведения зависит от уровня освещенности.
Рис. 4. Ток короткого замыкания Is и напряжение холостого хода Uо как функция интенсивности света J.
а) При малой освещенности эта зависимость линейна, т.к. ток прямо пропорционален количеству фотогенерированных электрон-дырочных пар:
а количество появляющихся электрон-дырочных пар прямо пропорционально количеству поглощенных квантов света:
где α – показатель поглощения, J – интенсивность света, η – внутренний квантовый выход. Для кремниевых фотодиодов η ~ 100%. Квантовый выход можно определить по экспериментальной зависимости Iкз(J).
Пропорциональность Iкз ~ g обусловлена тем, что толщина базы фотоэлемента значительно меньше диффузионной длины неосновных носителей заряда, поэтому практически все неосновные носители, возникшие в базе в результате световой генерации, доходят до p-n перехода и принимают участие в образовании фототока. Диффузионная длина велика, потому что исходный полупроводник содержит малое количество неконтролируемых примесей, которые могли бы выполнять роль рекомбинационных ловушек и ловушек захвата.
б) По мере увеличения освещенности возрастает накопление зарядов, и дополнительная разность потенциалов все сильнее понижает потенциальный барьер. За счет этого увеличивается вклад прямого тока, и зависимость становится сублинейной.
В данной работе солнечная батарея состоит из четырех ячеек, соединенных последовательно, и имеет максимальное напряжение холостого хода не более 2 В. При слабых освещенностях зависимость напряжения холостого хода (Uхх) от освещенности J такая же, как у тока короткого замыкания. При возрастании освещенности потенциальный барьер понижается так сильно, что прямая составляющая тока уравновешивает обратный фототок вне зависимости от степени освещенности.
3. КПД.
Коэффициент полезного действия (КПД) представляет собой отношение максимальной мощности, которую можно получить от фотоэлемента, к полной мощности светового потока, падающего на рабочую поверхность фотоэлемента:
К основным процессам, приводящим к уменьшению КПД фотоэлемента, относят: отражение от поверхности полупроводника, фотоэлектрически неактивное поглощение квантов света (поглощение без образования пар носителей электрон-дырка), рекомбинацию неравновесных носителей ещё до их разделения электрическим полем p-n перехода, а также потери мощности при прохождении тока через объемное сопротивление базы фотоэлемента. В результате этих процессов КПД кремниевых фотоэлементов при преобразовании солнечного света в электрическую энергию не превышает 12%.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.