Физика полупроводниковых приборов Книга 2 - Зи С.
Скачать (прямая ссылка):
AM0 определяет работу солнечных батарей на спутниках и космических
кораблях. Спектр АМ1 соответствует распределению интенсивности солнечного
излучения на поверхности Земли, когда Солнце стоит в зените; при этом
полная мощность излучения составляет ~925 Вт/м2. Спектр АМ2 реализуется
при угле 0 = = 60°. В этом случае полная мощность излучения равна 691
Вт/м2.
Средняя интенсивность излучения на Земле примерно совпадает с
интенсивностью излучения, прошедшего через воздушную массу, равную 1,5,
что соответствует положению Солнца под углом 45° к горизонту. На рис. 2
приведено распределение числа фотонов, приходящихся на единичный
энергетический интервал
Солнечные батареи
391
1iL 1
-
? "и "с
К1 ( Л МО (135, учение черно 5600к га 'При /!М1(± ТВт/м2) го
те/га " КВт/м2) 725дт/м2)
1 п а н $ ! 1 л |L\ ^ЛриЛШ \ V Шдт/А?2)
d № >1 luduwe i иду-1 <ение i i ч\
0,2
0,8
Длина
1Л
Волны,
2,а
2,6
мкм
Рис. 1. Четыре кривые, по спектру [10].
иллюстрирующие распределение солнечной энергии
А, м к,м
Рис. 2. Спектральное распределение потока фотонов, поступающих от Солнца
в условиях АМО и АМ1,5 [11 ].
О
Z
J
ho, зВ
392
Глава 14
Рис. 3. Карта распределения солнечной энергии по земной поверхности.
Контурные линии проходят через области равной облученности. Цифрами
обозначено годовое количество в сотнях световых часов [5].
на 1 см2 за 1 с в условиях АМО и AM 1,5 [11]. Для перевода длины волны
(мкм) в энергию фотона (эВ) мы использовали соотношение
Полная мощность солнечного излучения при АМ1,5 составляет 844 Вт/м2.
Для наиболее эффективного использования солнечных элементов необходимо
знать примерное количество солнечной энергии, поступающей в течение года
в различных регионах. На рис. 3 [5] приведена карта распределения
солнечной энергии по земной поверхности с указанием средней
продолжительности солнечного освещения. Жирными контурными линиями
очерчены регионы, которые освещаются в среднем по 8 ч и более ежедневно.
Поскольку на всех континентах имеются довольно большие площади с высоким
средним уровнем солнечного освещения, можно ожидать, что в ближайшем
будущем солнечная энергия будет широко использоваться во всем мире.
14.2.2. Идеальная эффективность преобразования
Обычный солнечный элемент (например, р-"-переход) имеет лишь одну
характерную энергию - ширину запрещенной зоны Eg. Когда на элемент
попадает солнечный свет, фотоны с энергией,
Солнечные батареи
393
а
ho
\
R,
Рис. 4. Энергетическая диаграмма солнечного элемента с р - /г-переходом
при солнечном освещении (а) и идеализированная эквивалентная схема
солнечного элемента (б).
меньшей Eg, не дают вклада в выходную мощность элемента (в пренебрежении
поглощением света, сопровождаемым возбуждением фононов). Каждый фотон с
энергией, большей Eg, дает вклад, равный Eg, в выходную мощность, а
остальная часть энергии фотона переходит в тепло. Для того чтобы
определить эффективность (или идеальный к. п. д.) преобразования,
рассмотрим диаграмму энергетических зон освещаемого р - "-перехода (рис.
4,а). Будем полагать, что солнечный элемент имеет идеальную вольт-
амперную характеристику. Соответствующая эквивалентная цепь показана на
рис. 4, б, где параллельно переходу введен источник постоянного тока IL,
описывающий возбуждение неравновесных носителей солнечным излучением. Ток
насыщения диода Is определен в гл. 2, RL - нагрузочное сопротивление.
Вольт-амперная характеристика такого прибора определяется выражениями
/ = /8 (e*v/kT _ !) _ /L (2)
и
J. = IJA = 4NCNV у ±. + ^.у%.) (3)
394
Глава 14
I
120
80
40
\
$ 0-
к
-¦40
-80
-120
1 I I
IP
^ ^ ^
Рис. 5. Вольт-амперная характеристика освещенного солнечного элемента
[12].
¦V
-0,8 -0,* 0 0,4 0,6 1,2
КВ
I
f
где Л - площадь прибора. График вольт-амперной характеристики,
определяемой формулой (2), приведен на рис. 5, а для следующих
параметров: IL = 100 мА, Is = 1нА, А = 4 см2 и Т = = 300 К [12].
Поскольку вольт-амперная характеристика проходит через четвертый
квадрант, это означает, что прибор служит источником энергии. При
соответствующем подборе нагрузочного сопротивления вырабатываемая энергия
может достигать 80 % произведения /кз Ухх (/кз - ток короткого замыкания,
Vxx - напряжение холостого хода элементов). Чаще вольт-амперную
характеристику элемента изображают так, как показано на рис. 5, б. На
рис. 5, б также определены величины /т и Vm - значения тока и напряжения,
при которых реализуется максимальная выходная мощность Pm (Рт = ImVm).
Солнечные батареи
395
Из уравнения (2) получаем, что напряжение холостого хода (при / == 0)
равно
Следовательно, при заданном токе JL напряжение холостого хода
логарифмически возрастает при уменьшении тока насыщения Is. Выходная
мощность равна
Условие максимума мощности получаем, положив dP/dV = 0, откуда имеем
где р = qlkT. Максимальная выходная мощность определяется выражением
Величина Ет соответствует той максимальной энергии, которая выделяется в
