Солнечные элементы: Теория и эксперимент - Фаренбрух А.
Скачать (прямая ссылка):
1974]. В табл. 2.4 перечислены некоторые типы контактов для солнечных элементов на основе AlGaAs и GaAs, используемых в сочетании с концентраторами излучения.
Среди контактов, широко применяемых в солнечных элементах, вероятно, единственный истинно омический контакт образуется между n-CdS и In или Zn в элементах на основе p-Cux S - n-CdS.
Глава 3 РАСЧЕТ КПД ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
Основываясь на результатах анализа, выполненного в предыдущих главах, можно рассчитать КПД преобразования солнечной энергии rjs. Уравнение вольт-амперной характеристики идеального солнечного элемента, протекание тока в котором обусловлено преобладающим действием какого-либо одного физического процесса, представленное в виде
заведомо справедливо в диапазоне значений J, при которых определяется КПД элемента. При наличии освещения темно вал вольт-амперная характеристика смещается вниз на значение плотности фототока JL без изменения формы, как это показано на рис. 3.1. Полученная идеализированная характеристика является результатом применения принципа суперпозиции. В данном случае плотность тока короткого замыкания Jsc = — \JL |.
Обычно расчет КПД преобразования солнечной энергии включает следующие основные этапы.
1. Расчет интегральной плотности фототока исходя из спектрального распределения падающего потока фотонов, объемных характеристик полупроводника (коэффициента поглощения света а(Х), диффузионной длины Ld неосновных носителей заряда и скорости поверхностной рекомбинации S), а также формы прибора1.
2. Расчет максимальной удельной мощности Рт с использованием вольт-амперной характеристики диода и значения JL.
3. Расчет КПД с помощью соотношения
где Ps — полная удельная мощность поступающего солнечного излучения (облученность поверхности элемента).
важное значение имеют два дополнительных параметра. Это напряжение холостого хода, определяемое выражением
который показывает, насколько форма характеристики отличается от квадратной. Коэффициент полезного действия, выраженный через Voc и ff, записывается в виде
Хотя основными параметрами, от которых зависит эффективность солнечных элементов, являются JL, J0, А и Rs, чаще приводят значения
J = J0 [exp(qVI(A кТ)) - 1] -JL,
(3.1)
Vs ~ I Pm I /Р$>
(3.2)
(3.3)
Vs — Voc \Jsc\ff/Ps.
1 При более точном анализе в расчетах также необходимо учесть затенение поверхности контактной сеткой и потери излучения на отражение.
121
Рис. 3.1. Световая (У) и темновая (2) вольт-амперные характеристики идеального солнечного элемента. Штриховая линия - зависимость выходной удельной мощности Р от напряже-
0 ния V
0,005
?
О
0,010 > х оТ
0,015
О 0,6
Voc, J sc и ff- Последние удобны, поскольку дают наглядное представление о свойствах элементов и их легко измерить. Параметры Jsc, Voc и ff элементов, близких к идеальным, в научной литературе, как правило, считают практически не зависящими друг от друга. Это обстоятельство принимают в качестве допущения при рассмотрении солнечных элементов с неидеальными характеристиками, наблюдающимися при сильной освещенности или в случае преобладания тока, обусловленного рекомбинацией носителей заряда на границе раздела. Строго говоря, параметры неидеальных элементов следует, конечно, рассматривать как взаимосвязанные.
Известны три подхода к решению вопроса об определении КПД преобразования солнечной энергии.
1. Применение принципа суперпозиции в предположении о том, что световой и темновой токи могут линейно складываться, позволяет найти точное значение КПД для идеального элемента при наличии сосредоточенных последовательного и шунтирующего сопротивлений.
2. При анализе неидеальных элементов можно исходить из параметров идеальных элементов, которые испытывают некое возмущающее воздействие.
3. При решении численными методами с помощью ЭВМ уравнениями переноса совместно с другими необходимыми уравнениями можно охарактеризовать в целом неидеальный солнечный элемент или рассмотреть трехмерную задачу.
Вопрос о применении принципа суперпозиции был рассмотрен в общем ввде [Lindholm е. а., 1976, 1979] для солнечных элементов со структурой Cu2S — CdS [Rothwarf, 1978] и элементов на основе Si и GaAs при коэффициенте концентрации излучения С= 1 [Тагг, Pulfrey, 1979].
В 3.1 будет найдено значение r?s для идеального элемента и получена его зависимость от /0 и А. Затем мы рассмотрим, каким образом на r/s влияют последовательное Rs и шунтирующее Rp сопротивления, и, наконец, обсудим следующие четыре вопроса: расчет КПД преобразования солнечной энергии с помощью теории возмущений (3.3.1) и численными методами; зависимость /0 и А от уровня облученности; изменение в зависимости от температуры и облученности; анализ потерь энергии. 122
3.1. ИДЕАЛЬНЫЙ СОЛНЕЧНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРИ НАЛИЧИИ ОСВЕЩЕНИЯ
Здесь будет выведено соотношение для КПД идеального элемента при условии, что выполняется принцип суперпозиции. Эта модель применима при следующих условиях.
1. В диапазоне облученностей, не превосходящих значение Ps, при которых предполагается использовать элементы, зависимость /0 от V и угол наклона графика lg/ от V не меняются при вариациях Ps и длины волны света, вследствие чего кривые зависимости lg Jsc от Voc и темно-вой зависимости lg / от V совпадают.
