Что такое вольт амперная характеристика фотоэлемента

Что такое вольт амперная характеристика фотоэлемента

В дальнейших экспериментах была детально исследована зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к пластинам конденсатора при заданной величине падающего светового потока. Такая зависимость называется вольт-амперной характеристикой (рис. 18).

Рис. 18. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Как видно из рис. 18, вольт-амперная характеристика стремится к насыщению по мере увеличения разности потенциалов. С другой стороны, при некоторой отрицательной разности потенциалов — Uэ вольт-амперная характеристика обращается в ноль.

Как уже говорилось, падающий свет выбивает электроны из отрицательной пластины конденсатора (из катода). В отсутствие электрического поля — при U=0 большинство вырванных электронов (хотя и не все) долетают до другой пластины. При положительной разности потенциалов, т. е. при ускоряющем электрическом поле, сила фототока слегка увеличивается, а затем достигает своего предельного значения. Предельное значение фототока носит название тока насыщения — Iнас. Ток насыщения соответствует случаю, когда все вырванные светом электроны достигают анода.

Если увеличить световой поток, падающий на катод, то есть увеличить число выбиваемых электронов, то ток насыщения станет увеличиваться (рис. 19).

Рис. 19. Вольт-амперная характеристика при разных световых потоках (Ф21)

Рассмотрим теперь левую часть рис. 18. При некотором отрицательном задерживающем потенциале — U3 — сила фототока становится равна нулю. Это означает, что такое электрическое поле тормозит вылетевшие электроны до полной остановки и отбрасывает их обратно на катод. Из этого условия можно найти значение максимальной кинетической энергии вырванных электронов по формуле:

(3)

где те — масса электрона, е — заряд электрона (е=1,6·10 -19 Кл).

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит только от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает (рис. 20).

Рис. 20. Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v, то фотоэффекта не происходит. Частоту v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Дата публикования: 2014-11-18 ; Прочитано: 19693 | Нарушение авторского права страницы

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2020 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Поток генерированных светом носителей образует фототок . Величина равна числу фотогенерированных носителей, прошедших через p–n-переход в единицу времени:

(6)

u

где q – величина заряда электрона; Pu – мощность поглощенного монохроматического излучения.

Здесь предполагается, что в полупроводнике каждый поглощенный фотон с энергией hv Еgсоздает одну электронно-дырочную пару. Это условие хорошо выполняется для солнечных элементов на основе Si.

Пусть p–n-переход расположен вблизи от освещаемой поверхности полупроводника. При использовании солнечного элемента в качестве источника электроэнергии к его выводам должно быть подсоединено сопротивление нагрузки. Рассмотрим вначале два крайних случая: Rн=0 (режим короткого замыкания) и Rн= ∞ (режим холостого хода).

В первом случае зонная диаграмма освещенного p–n-перехода не отличается от зонной диаграммы при термодинамическом равновесии (без освещения и без приложенного напряжения смещения), поскольку внешнее закорачивание обеспечивает нулевую разность потенциалов между n— и p-областями. Однако через p–n-переход и внешний провод-ник течет ток, обусловленный фотогенерацией электронно-дырочных пар в p-области

При нулевых внутренних омических потерях в солнечном элемен-те режим короткого замыкания эквивалентен нулевому напряжению смещения p–n-перехода, поэтому ток короткого замыкания

При разомкнутой внешней цепи p–n-перехода фото-электроны, попадая в n-область, накапливаются в ней и заряжают n-область отрицательно. Остающиеся в p-области избыточные дырки заряжают p-область положительно. Возникающая таким образом разность потенциалов является напряжением холостого хода Ux.x. . Полярность Ux.x. соответствует прямому смещению p–n-перехода.

В режиме холостого хода фототок уравновешивается «темновым» током Im – . Абсолютное значение «темново-го» тока:

(7)

(8)

где k – постоянная Больцмана, 1,38·10-23 Дж/К = 0,86·10-4 эВ/К; Т – аб-солютная температура, К; I0 – ток насыщения; A – параметр вольт-амперной характеристики p–n-перехода, меняющийся для разных отрез-ков графика от 1 до 2 по следующему закону:

(9)

где ∆U – приращение напряжения при приращении плотности тока (или абсолютного значения тока) по касательной на один порядок.

Читайте также:  Как засолить селедку в маринаде

«Темновой» ток сопровождается рекомбинацией неосновных но-сителей тока (в данном случае – электронов в p-области). При актах ре-комбинации потенциальная энергия электронно-дырочных пар выделя-ется либо посредством излучения фотонов с hvEg, либо расходуется на нагревание кристаллической решетки.

Таким образом, режим холостого хода солнечного элемента эквивалентен режиму работы светодиодов, а также выпрямительных диодов в пропускном направлении.

Найдем обобщенное выражение для вольт-амперной характери-стики освещенного p–n-перехода. Для этого предположим, что к нему подключен источник питания с варьируемым напряжением. При поло-жительном напряжении смещения фототок вычитается из «темнового» тока p–n-перехода, а при отрицательном – суммируется с ним. Выражение для вольт-амперной характеристики записывается в виде:

(10)

Рассмотрим подключение к p–n-переходу варьируемого сопротив-ления нагрузки. Направление тока в нагрузке всегда совпа-дает с направлением , а сам ток нагрузки равен результирующему току через p–n-переход. Принимая направление тока за положительное, для можно записать:

(11)

где – напряжение на нагрузке, равное напряжению на p–n-переходе. Последнее выражение описывает нагрузочную вольт- амперную характеристику освещенного p–n-перехода.

При известных параметрах нагрузочной вольт-амперной характеристики и заданном значении величины и находятся методом последовательных приближений (рисунок 3).

прямый током через p–n-переход, возникающим при напряжении смещения (холостого хода) Ux.x.

Рисунок 3 — Вольтамперные характеристики элемента (ВАХ) при различных мощностях светового потока

Таким образом, освещенный p–n-переход может быть представлен в виде эквивалентной схемы, где источник тока имитирует генерацию постоянного фототока, не зависящего от напряжения p–n-перехода, а диод представляет собой неосвещенный p–n-переход (рисунок 4). При варьировании фототок перераспределяется между нагрузкой и p–n-переходом.

Рисунок 4 — Эквивалентная электрическая схема фотоэлемента

Электрическая мощность, выделяемая в нагрузке, определяется по формуле:

(12)

В режимах короткого замыкания и холостого хода P =0, посколь-ку либо , либо равны нулю.

Таким образом, солнечный элемент состоит из двух соединенных между собой кремниевых пластинок. Свет, падающий на верхнюю пластинку, выбивает из нее электроны, посылая их на нижнюю пластинку. Так создается ЭДС элемента. Последовательно соединенные элементы являются источником постоянного тока. Несколько объединенных фотоэлектрических преобразователей представляют собой солнечную батарею.

Соединённые последовательно и параллельно ячейки образуют модули, содержащие, например, 36 ячеек. В свою очередь модули собираются в панели мощностью от нескольких ватт до сотен киловатт. Солнечные панели размещаются на открытой местности, на крышах домов, на освещаемых поверхностях различных сооружений. Они вырабатывают постоянный ток, подаваемый на зарядку аккумуляторной батареи, а затем через инвертор переменный ток стандартного качества идёт потребителям.

Дата добавления: 2015-10-09 ; просмотров: 1292 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Рисунок 1.3 – Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Важные точки вольт-амперной характеристики, которые характеризуют солнечный модуль:

Солнечный модуль может работать при любой комбинации напряжения и тока, расположенным на его вольт-амперной характеристике (ВАХ). Однако в реальности модуль работает в одной точке в данное время. Эта точка выбирается не модулем, а электрическими характеристиками цепи, к которой данный модуль (или солнечная батарея) подключен.

Напряжение, при котором ток равен 0, называется напряжением холостого хода (Voc). С другой стороны, ток, при котором напряжение равно 0, называется током короткого замыкания (Isc). В этих крайних точках ВАХ мощность модуля равна 0. На практике, система работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучше сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ, или MPP). Соответствующие напряжение и ток обозначаются как Vp (номинальное напряжение) и Ip(номинальный ток). Именно для этой точки определяются номинальная мощность и КПД солнечного модуля.

При прямом соединении солнечного модуля к аккумуляторной батарее, модуль работает при напряжении, равном напряжению аккумуляторной батареи в данный момент. По мере заряда АБ ее напряжение растет, поэтому модуль может работать в диапазоне напряжения от 10 до 14,5В (здесь и далее используются напряжения для модуля номинальным напряжением 12В. Для модулей с номинальным напряжением 24В значения напряжения нужно умножить на 2). Соответственно, его рабочая точка может быть довольно далеко от оптимальной.

Перечень аппаратуры, используемой в экспериментах

Количество аппаратуры определенного типа, используемой в конкретных экспериментах, приведено в таблице 1.

Тип аппаратуры Номер эксперимента
1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 2.1 2.2
224.2
2316.4
2317.1
2331.1
Читайте также:  Ремонт покраска стен или обои

Таблица 2 — Перечень аппаратуры

Обозначение Наименование Тип Параметры
G1 Блок питания 224.2

220 В/ 6 А

A1 Блок фотоэлектрического модуля 2317.1 12 В/ 4,8 Вт A2 Источник света 2331.1 2 прожектора

220 В/ 300 Вт

A3 Блок нагрузки и измерения 15 В/ 0,5 А/ 5 Вт P1 Блок мульметров 3 мультиметра 0…1000 В ; 0…10 А; 0…20 МОм

Указания по технике безопасности

Указания по технике безопасности при выполнении лабораторных работ приведены в приложении А.

Указания по проведению эксперимента

• Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электро­питания.

• Соедините аппаратуру в соответствии со схемой электрических соединений, приведен­ной на рис. 1.4.

• Регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1 по­верните против часовой стрелки до упора (со щелчком).

• Регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ поверните против часовой стрелки до упора.

• Установите фотоэлектрический модуль под углом 90 градусов к падающим световым лучам.

• Включите устройство защитного отключения и автоматические выключатели блока пи­тания G1.

• Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения Р2.

• Активизируйте мультиметры блока Р1, задействованные в эксперименте.

• Вращая регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННОСТИ» блока питания G1, по вольтметру установите напряжение сети, соответствующее энергетической ос­вещенности Е равной, например, 400 Вт/м 2 и следите за ее постоянством в ходе экспе­римента.

• Переключите мультиметр блока Р1 с подключенной термопарой в режим измерения температуры.

• Контролируя температуру поверхности Т фотоэлектрического модуля по показаниям мультиметра, выждете (7. 10 минут), пока она не установится, и зафиксируйте ее.

• Вращая регулировочную рукоятку «НАГРУЗКА» блока нагрузки и измерения АЗ, из­меняйте ток нагрузки I фотоэлектрического модуля блока А1 и заносите показания ам­перметра (ток I) и вольтметра (напряжение U фотоэлектрического модуля блока А1) в таблицу 1.1.

I, A
U, B

• При этом обязательно измерьте ток I и напряжение U при максимальной мощности, отдаваемой фотоэлектрическим модулем, которую контролируйте по ватт­метру блока нагрузки и измерения АЗ.

• По завершении эксперимента регулировочную рукоятку «РЕГУЛЯТОР ОСВЕЩЕННО­СТИ» блока питания G1 поверните против часовой стрелки до упора (со щелчком). От­ключите автоматические выключатели блока питания G1. Отключите выключатели "СЕТЬ" блока мультиметров Р1 и блока нагрузки и измерения АЗ.

• Используя результаты табл. 1.1, постройте искомую вольт-амперную характеристику фо­тоэлектрического модуля U=f(I) при Е = const и Т = const.

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

· краткие теоретические сведения;

· описание используемого оборудования и материалов;

· порядок выполнения работы;

· вычисления и обработка результатов, построение графиков;

Рисунок 1.4 – Схема электрических соединений

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте цель лабораторной работы и поясните, как достигается поставленная цель.

2. Назовите основные элементы лабораторного стенда и объясните их назначение.

3. Конструкция солнечного элемента.

4. Что называют солнечным модулем? Основные типы модулей?

5. Что такое вольт-амперная характеристика (ВАХ) солнечного элемента?

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме

1. Правила технической эксплуатации электроустановок потребите- лей. – М.: Энергосервис, 2003. – 162 с.

2.Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии : Учебное пособие / ,Сибикин Ю.Д., Сибикин Ю.Д. М.: ИП РадиоСофт, 2009. 232 с.

Интернет-ресурсы:

1. Электронный образовательный ресурс [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.edu.ru/

2. Электронная библиотека [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.elibrari.ru/

3. Университетская библиотека online [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.biblioclub.ru/

4. Электронная библиотека технической литературы [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.tehlit.ru/

Лабораторная работа № 2

Снятие энергетической характеристики фотоэлектрического модуля P=f(U)

Цель:изучение аппаратуры, используемой в экспериментах, снятие и построение энергетической характеристики фотоэлектрического модуля Р=f(I).

Формируемые компетенции:

ОПК-2 способность применять соответствующий физико-математический аппарат, методы анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования при решении профессиональных задач
ППК-1 готовность обеспечивать требуемые режимы и заданные параметры технологического процесса по заданной методике

Знания и умения, приобретаемые студентом в результате освоения темы

Знает

— физические принципы, на которых основана работа установок по выработке нетрадиционных видов энергии;

— типовые электротехнологические процессы преобразования энергии;

— виды энергии которые можно использовать;

Умеет:

— работать со справочной литературой, отражающей характеристики материалов;

— внедрять электротехнологические способы преобразования нетрадиционных видов энергии;

— грамотно эксплуатировать электротехнологические и энергетические установки.

Владеет:

— методами оценки свойств и способами подбора материалов для проектируемых систем

Читайте также:  Как правильно ухаживать за цветком антуриум

— методиками выполнения расчетов применительно к использованию электротехнических и конструкционных материалов;

— навыками проведения стандартных испытаний и входного контроля материалов и комплектующих электроэнергетического и электротехнического оборудования

Теоретическая часть

Характеристики солнечного элемента

• Напряжение холостого хода − это максимальное напряжение, создаваемое солнечным элементом, возникающее при нулевом токе (рис. 1.7). Оно равно прямому смещению, соответствующему изменению напряжения pn-перехода при появлении светового тока. Напряжение холостого хода обычно обозначается хх или . Напряжение холостого хода монокристаллических солнечных элементов высокого качества достигает 730 мВ. В коммерческих устройствах оно обычно находится на уровне 600 мВ. Напряжение холостого хода солнечного элемента мало меняется при изменении освещенности.

Рис.2.1. Вольт-амперная характеристика солнечного элемента и напряжение холостого хода

• Ток короткого замыкания − это ток, протекающий через солнечный элемент, когда напряжение равно нулю (то есть когда солнечный элемент замкнут накоротко) (рис. 2.2). Ток короткого замыкания обычно обозначается ��кз или ������. Он возникает в ре-зультате генерации и разделения сгенерированных светом носителей. В идеальном солнечном элементе при условии умеренных резистивных потерь он равен световому току. Поэтому ток короткого замыкания можно считать максимальным током, который способен создать солнечный элемент. Кроме того, он прямо пропорционально зависит от интенсивности света.

• На практике солнечный элемент работает при комбинации тока и напряжения, когда вырабатывается достаточная мощность. Лучшее их сочетание называется точкой максимальной мощности (ТММ), соответствующие напряжение и ток обозначаются ��тмм и ��тмм.

• Коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента (fill factor, FF). Ток короткого замыкания и напряжение холостого хода − это максимальные ток и напряжение, которые можно получить от солнечного элемента. Однако, при напряжении холостого хода и токе короткого замыкания мощность солнечного элемента равна 0.

Коэффициент заполнения – параметр, который в сочетании с напряжением холостого хода и током короткого замыкания определяет максимальную мощность солнечного элемента. Он вычисляется, как отношение максимальной мощности солнечного элемента к произведению напряжения холостого хода и тока короткого замыкания:

где ��ТММ – напряжение в точке максимальной мощности (ТММ), В; ��ТММ – ток в ТММ, А; ��хх – напряжение холостого хода, В; ��кз – ток короткого замыкания, А.

Графически коэффициент заполнения представляет собой меру квадратичности солнечного элемента и равен максимальной площади прямоугольника, который можно вписать в вольт-амперную кривую (рис. 1.9).

Так как коэффициент заполнения является мерой квадратичности вольт-амперной кривой, солнечный элемент с более высоким напряжением будет иметь и более высокий возможный коэффициент заполнения, поскольку закругленная часть кривой занимает меньше места. Коэффициент заполнения ВАХ является одним из основных параметров, по которому можно судить о качестве фотоэлектрического преобразователя. Типичные качественные серийно выпускаемые солнечные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ более 0,7. Бракованные элементы имеют коэффициент заполнения ВАХ от 0,4 до 0,65. У аморфных элементов и других тонкопленочных фотоэлектрических преобразователей коэффициент заполнения ВАХ 0,4–0,7. Чем больше коэффициент заполнения ВАХ, тем меньше потери в элементе из-за внутреннего сопротивления.

При изготовлении каждый солнечный элемент тестируется и при этом измеряется его ВАХ и коэффициент заполнения. Если последний меньше 0,7, то элемент классифицируется как Grade B и продается производителям супердешевых панелей, которые должны уведомлять покупателей о низком качестве элементов.

• Коэффициент полезного действия (КПД) является самым распространенным параметром, по которому можно сравнить производительность двух солнечных элементов. Он определяется как отношение мощности, вырабатываемой солнечным элементом, к мощности падающего солнечного излучения. Кроме собственно производительности солнечного элемента, КПД также зависит от спектра и интенсивности падающего солнечного излучения и температуры солнечного элемента. Поэтому для сравнения двух солнечных элементов нужно тщательно выполнять принятые стандартные условия. КПД солнечного элемента определяется как часть падающей энергии, преобразованной в электричество [3]:

где Pmax – максимальная мощность солнечного элемента, Вт, вычисляется по формуле Рmax = Uтмм ∙ Iтмм = FF ∙ Iкз ∙ Uхх, где Uтмм – напряжение в точке максимальной мощности, В; Iтмм – ток в точке максимальной мощности , А; FF – коэффициент заполнения вольт-амперной характеристики; Iкз – ток короткого замыкания, А; Uхх – напряжение холостого хода, В.

Pпад – мощность падающего солнечного излучения, Вт.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector