Интенсивность солнечного излучения

Физические основы процессов преобразования солнечной энергии

Источником энергии солнечного излучения служит термоядерная реак-

циянаСолнце.Основнаячастьэтойэнергиииспускаетсяввидеэлектромаг-

нитногоизлучениявдиапазонедлинволн

l=0,2-3мкм.Припрохождении

через атмосферу солнечный свет ослабляется, в основном за счет поглощения

инфракрасного излучения парами воды, ультрафиолетового излучения – озо- ном и рассеяния излучения молекулами газов и находящимися в воздухе час- тицами пыли и аэрозолями. Параметром, отражающим влияние атмосферы

на интенсивность и спектральный состав солнечного излучения, доходящего

до земной поверхности, является атмосферная (или воздушная) масса (АМ).

При нулевой воздушной массе АМ0 у верхней границы атмосферы интен-

сивность излучения равна

EC =1360

Вт/м. Величина АМ1 соответствует

прохождению солнечного излучения через безоблачную атмосферу до уров-

ня моря при зенитальном расположении Солнца. Воздушная масса для любо-

гоуровня земной поверхности в любой момент дня определяется по формуле

AM (x) = x

x 0

sin q

, (3.1.1)

где x – атмосферное давление, Па;

x 0 – нормальное атмосферное давление (1,013·10

Па);

q – угол высоты Солнца над горизонтом.

Наиболее характерной в земных условиях является величина АМ1,5

(q = 41o49¢). Она принята за стандартную при интегральной поверхностной

плотности солнечного излучения EC

= 835 Вт/м. Это необходимо для обес-

печении сравнимости результатов исследований различных солнечных эле-

ментов. На рис. 3.1.1 приведено спектральное распределение потока фотонов внеатмосферного (АМ0) и наземного стандартизованного (АМ1,5) солнечно-

го излучения при перпендикулярном падении лучей на приемную площадку.

Рис. 3.1.1. Спектральное распределение потока фотонов солнечного излуче-

ния: 1– внеатмосферное излучение (АМ0); 2 – наземное стандартизованное излучение (АМ1,5); 3 – спектр излучения абсолютно черного тела при

TC =5800

К. На вставке заштрихована доля полезно используемых фотонов.

Энергия фотонов, эВ, в излучении с длиной волны l определяется из

соотношения

hv = h c

l

=1,24, (3.1.2)

l

где h – постоянная Планка, 6,626196(50)·10-34 Дж·с;

c – скорость света, 2,9979250(10)·108 м/с;

l – длина волны, мкм.

Электронвольт – работа, которую необходимо совершить, чтобы пере-

местить электрон между двумя точками с разностью потенциалов 1 В. 1 эВ =

1,6·10-19 Дж.

Граничная длина волны, начиная с которой фотоны будут поглощаться

в материале солнечного элемента с шириной запрещенной зоны (характери-

зуется отсутствием энергетических уровней, различна по ширине для разных

материалов) E g

l =1,24. (3.1.3)

г E

g

Более длинноволновое излучение не поглощается в полупроводнике и, следовательно, бесполезно с точки зрения фотоэлектрического преобразова- ния.

3.2. Фотоэлектрические свойства p–n перехода

Солнечный фотоэлемент изготавливается на основе пластины, выполнен- ной из полупроводникового материала, например кремния (рис. 3.2.1). В пла- стине создаются области с p- и n- типами проводимости. Получают различные типы проводимости путем изменения типа введенных в полупроводник приме- сей. Например, атомы III группы Периодической системы Д.И. Менделеева, введенные в кристаллическую решетку кремния, придают последнему дыроч- ную (положительную) проводимость, а примеси V группы – электронную (от-

рицательную).

Рис. 3.2.1. Конструкция простейшего солнечного элемента

Затем изготавливаются нижний и верхний электроконтакты, причем нижний контакт – сплошной, а верхний выполняется в виде гребенчатой струк-

туры (тонкие полосы, соединенные относительно широкой шиной). Контакт p -

или n-полупроводников приводит к образованию между ними контактного электрического поля, играющего важную роль в работе солнечного фотоэле- мента.

Рассмотрим причину возникновения контактной разности потенциалов.

При соединении в одном монокристалле полупроводников p- и n-типа возника-

ет диффузионный поток электронов из полупроводника n-типа в полупровод- ник p-типа и, наоборот, поток дырок из p- в n-полупроводник. В результате та- кого процесса прилегающая к p-n переходу часть полупроводника p-типа будет заряжаться отрицательно, а прилегающая к p-n переходу часть полупроводника

n-типа, наоборот, приобретет положительный заряд. Таким образом, вблизи p-n перехода образуется двойной заряженный слой, который противодействует процессу диффузии электронов и дырок. Действительно, диффузия стремится создать поток электронов из n-области в p-область, а поле заряженного слоя, наоборот, – вернуть электроны в n-область. Аналогичным образом поле в p-n переходе противодействует диффузии дырок из p- в n-область. В результате ус- танавливается равновесное состояние: в области p-n перехода возникает потен- циальный барьер, для преодоления которого электроны из n-полупроводника и дырки из p-полупроводника должны затратить определенную энергию.

Рассмотрим работу p-n перехода в фотоэлементах. При поглощении света

в полупроводнике возбуждаются электронно-дырочные пары. В однородном полупроводнике фотовозбуждение увеличивает только энергию электронов и дырок, не разделяя их в пространстве, то есть электроны и дырки разделяются в

«пространстве энергий», но остаются рядом в геометрическом пространстве. Для разделения носителей тока и появления фотоэлектродвижущей силы (фо- тоЭДС) должна существовать дополнительная сила. Наиболее эффективное разделение неравновесных носителей имеет место именно в области p-n пере- хода (рис. 3.2.1). Генерированные вблизи p-n перехода «неосновные» носители

(дырки в n-полупроводнике и электроны в p-полупроводнике) диффундируют к

p-n переходу, подхватываются полем p-n перехода и выбрасываются в полупро-

водник, в котором они становятся основными носителями: электроны будут ло- кализоваться в полупроводнике n-типа, а дырки – в полупроводнике p-типа. В результате полупроводник p-типа получает избыточный положительный заряд,

а полупроводник n-типа – отрицательный. Между n- и p-областями фотоэле- мента возникает разность потенциалов – фотоЭДС, или напряжение в режиме холостого хода. Полярность фотоЭДС соответствует «прямому» смещению p-n перехода, которое понижает высоту потенциального барьера и способствует инжекции дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p- область. В результате действия этих двух противоположных механизмов – на- копления носителей тока под действием света и их оттока из-за понижения вы- соты потенциального барьера – при разной интенсивности света уста- навливается разная величина фотоЭДС. При этом величина фотоЭДС в широ- ком диапазоне освещенностей растет пропорционально логарифму интенсивно-

сти света.

При коротком замыкании освещенного p-n перехода в электрической це-

пи потечет ток, пропорциональный по величине интенсивности освещения и количеству генерированных светом электронно-дырочных пар. При включении

в электрическую цепь полезной нагрузки, величина тока в цепи несколько уменьшится. Обычно электрическое сопротивление полезной нагрузки в цепи солнечного элемента выбирают таким, чтобы получить максимальную отдавае- мую этой нагрузке электрическую мощность.