Fizyka Ciała Stałego
Ć
wiczenie Nr 11
EFEKT FOTOWOLTAICZNY,
WYZNACZANIE PARAMETRÓW BATERII
SŁONECZNEJ
Fizyka Ciała Stałego
Ć
wiczenie Nr 11
EFEKT FOTOWOLTAICZNY,
WYZNACZANIE PARAMETRÓW BATERII
SŁONECZNEJ
2
3
1. Wstęp teoretyczny
Ogniwo fotowoltaiczne jest to przyrząd półprzewodnikowy, którego zasada działania jest oparta na
wykorzystaniu złącza p-n.
Schemat budowy pojedynczego ogniwa pokazano na Rys. 1. Składa się ono ze złącza p-n, dwóch
elektrod oraz warstwy przeciwodbiciowej. Elektroda metalowa, która jest oświetlana ma odpowiedni
kształt, tak aby powierzchnia czynna ogniwa była jak największa.
Rys. 1. Schemat ogniwa słonecznego:
1 – nieoświetlana elektroda;
2 – półprzewodnik typu n;
3 – złącze p-n;
4 – półprzewodnik typu p;
5 – warstwa przeciwodbiciowa;
6 – oświetlana elektroda;
7 – fotony o energii hν padające na
ogniwo.
Złącze p-n powstaje poprzez zetknięcie półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n. W
wyniku dyfuzji elektronów z obszaru n do obszaru p i dziur z obszaru p do obszaru n powstaje ładunek
przestrzenny, który wytwarza wewnętrzne pole elektryczne w obszarze złącza. Jeżeli złącze zostanie
oświetlone, fotony generują pary nośników ładunku: dziury i elektrony. Dziury unoszone w
wewnętrznym polu elektrycznym podążą w kierunku półprzewodnika typu p, a elektrony w kierunku
półprzewodnika typu n. Schemat działania baterii słonecznej przedstawiono na Rys. 2.
Gdy elektrody nie są ze sobą połączone, to w wyniku oświetlenia w półprzewodniku typu n
gromadzą się ładunki ujemne, a w typu p dodatnie. Taki rozkład ładunku wytwarza różnicę potencjału
nazywaną napięciem obwodu otwartego U
OC
.
Gdy elektrody ogniwa są zwarte przez
amperomierz, tak jak na Rys. 2, wówczas
napięcie jest równe zeru (U = 0 V) i przez
ogniwo przepływa prąd zwarcia I
SC
generowany
ś
wiatłem.
Gęstości
prądu
zwarcia
jest
zdefiniowana wzorem:
A
I
J
SC
SC
=
(1)
gdzie A jest powierzchnią aktywną fotoogniwa.
Prąd
ten
jest
zależny
od
parametrów
materiałowych półprzewodnika i konstrukcji
ogniwa.
Rys. 2. Schemat działania fotoogniwa.
4
Absorpcja fotonów w ogniwach słonecznych wywołuje przejścia elektronów z pasma walencyjnego
do pasma przewodnictwa (absorpcja podstawowa). Energia E
ph
zaabsorbowanego fotonu musi być
większa od przerwy energetycznej E
g
półprzewodnika:
g
ph
E
hc
h
E
>
=
=
λ
ν
(2)
gdzie ν jest częstością drgań fali elektro-magnetycznej, λ długością fali świetlnej, a c jest to prędkość
ś
wiatła w próżni.
W Tabeli 1 podano wartości przerw energetycznych E
g
dla materiałów używanych do wytwarzania
ogniw słonecznych. Po przejściu elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa powstaje
para nośników ładunku: elektron i dziura.
Określenie podstawowych parametrów ogniwa fotowoltaicznego uzyskuje się poprzez badanie
charakterystyki prądowo-napięciowej przedstawionej na Rys. 3. O właściwościach fotowoltaicznych
ogniwa decyduje kształt charakterystyki prądowo-napięciowej J(U) w IV ćwiartce układu współrzędnych.
Charakterystyka prądowo-napięciowa dla idealnego fotoogniwa powinna mieć kształt prostokąta o
bokach J
SC
i U
OC
. W praktyce nie spotykamy idealnych fotoogniw. Maksymalna moc rzeczywistego
ogniwa jest zawsze mniejsza od mocy idealnego ogniwa P
id
= J
SC
U
OC
, gdyż praktycznie nigdy nie
można osiągnąć charakterystyki prostokątnej. Maksymalną moc elektryczną ogniwa rzeczywistego P
max
wyznaczamy z następującego wzoru:
max
max
max
U
J
P
⋅
=
(3)
gdzie U
max
i J
max
są odpowiednio napięciem i gęstością prądu, dla których pole prostokąta, którego jeden
z wierzchołków leży na charakterystyce prądowo-napięciowej (punkt P
max
), jest największe.
Tabela 1
Przerwy energetyczne półprzewodników
stosowanych w fotoogniwach.
Półprzew.
E
g
[eV]
Półprzew.
E
g
[eV]
AlAs
2.15
ITO
3.60
CdS
2.42
Si kryst.
1.11
CdTe
1.44
Si amorf.
1.70
CdSe
1.74
SnO
2
3.50
CuInSe
2
1.01
ZnO
3.30
Cu
2
S
1.20
ZnSe
2.67
GaAs
1.43
ZnTe
2.26
GaP
2.25
Zn
3
P
2
1.50
InP
1.34
Ge
0.66
GaSb
0.72
Cu
2
Se
1.20
CuInS
2
0.55
Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa
ogniwa słonecznego: nieoświetlonego (linia
kropkowana), oświetlonego (linia ciągła).
5
Kolejnym parametrem określającym jakość ogniwa słonecznego jest współczynnik wypełnienia FF
(fill factor):
OC
SC
id
U
J
U
J
P
P
FF
⋅
⋅
=
=
max
max
max
(4)
Jest to stosunek powierzchni prostokąta o bokach J
max
i U
max
, do powierzchni prostokąta o bokach J
SC
i
U
OC
na rys. 3. Wielkość tego parametru jest tym bliższa wartości 1, im bardziej kształt charakterystyki
prądowo-napięciowej jest zbliżony do prostokąta.
Najważniejszym parametrem ogniwa jest jego wydajność konwersji mocy η, zdefiniowana jako
stosunek maksymalnej mocy ogniwa P
max
do mocy światła P
in
padającego na ogniwo:
L
J
U
FF
P
P
SC
OC
in
⋅
=
=
max
η
(5)
gdzie L jest to intensywność padającego światła.
Za właściwy początek fotowoltaiki można uważać rok 1954, kiedy w Bell Telephone Laboratories
w USA osiągnięto wydajność ogniw słonecznych wynoszącą 6%. Ogniwa te były zbudowane przy użyciu
krzemu i siarczku kadmu. Należy pamiętać, że ogniwa słoneczne nie mają zbyt wielkiej sprawności i
wydajność ponad 10% uważa się za dużą. Z oszacowań ekonomicznych wynika, że wydajność ogniw
produkowanych w skali przemysłowej nie powinna być mniejsza od 10%. Nieorganiczne ogniwa osiągają
sprawność 18% przy teoretycznej ich maksymalnej wydajności 23%. Obecnie wiele ośrodków naukowo-
badawczych
na
ś
wiecie
prowadzi
badania
nad
zastosowaniem
organicznych
materiałów
fotoprzewodzących (polimery, ciekłe kryształy) do budowy baterii słonecznych, ze względu na ich niskie
koszty produkcji i łatwość przetwarzania.
2. Wykonanie ćwiczenia
2.1 Przygotowanie stanowiska pomiarowego
Fotografia układu pomiarowego jest pokazana na Rys. 4. Na około 5 min przed przystąpieniem do
pomiarów należy włączyć źródło światła, aby lampa rozgrzała się i ustabilizowały się warunki jej pracy.
Podłączyć ogniwo słoneczne (3) do zasilacza napięcia stałego (2) szeregowo z amperomierzem (1) w
sposób przedstawiony na Rys. 5a.
Charakterystyki prądowo-napięciowe należy zmierzyć zmieniając napięcie w przedziale od –0.4 V
do +3.0 V z przyrostem co 0.2 V. W celu uzyskania napięcia ujemnego (od –0.4 V do 0 V) należy wtyk
„+” zasilacza (2) połączyć z wtykiem „–” fotoogniwa (3), a wtyk „–” zasilacza (2) połączyć z wtykiem
„+” fotoogniwa (3), włączając szeregowo do układu pomiarowego amperomierz (1), tak jak widać na Rys
5a. Dodatnie napięcie fotoogniwa (3) (od 0 V do +3.0 V) uzyskamy łącząc wtyk „–” zasilacza (2) z
wtykiem „–” na fotoogniwie (1), natomiast wtyki „+” zasilacza (2) i fotoogniwa (3) łączymy ze sobą
szeregowo wpinając amperomierz (1), tak jak pokazano na Rys. 5b. Zatem, aby najłatwiej uzyskać
zmianę polaryzacji należy zamienić pozycjami wtyki w zasilaczu (2).
Napięcie wyjściowe U zasilacza ustawiać poprzez umiarkowane obroty pokrętłem FINE
(VOLTAGE). Pomiary fotoprądu należy dokonywać amperomierzem ustawionym na zakres 20µA.
6
Rys. 4. Układ pomiarowy: 1 – amperomierz; 2 – zasilacz; 3 – fotoogniwo w obudowie; 4 – koło z
filtrami barwnymi; 5 – lampa; 6 – zasilacz lampy; 7 – autotransformator.
Rys. 5. Schemat połączeń dla ujemnego (a) i dodatniego (b) napięcia na fotoogniwie, gdzie:
1 – amperomierz; 2 – zasilacz; 3 – fotoogniwo.
2.2 Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych dla różnych długości fali świetlnej
Do zmiany długości fali świetlnej służy koło (4) z zamontowanymi pięcioma filtrami pasmowymi,
pozwalającymi na uzyskanie światła o określonej długości fali. Należy zmierzyć ciemną charakterystykę
prądowo-napięciową, tzn. przy wyłączonej lampie oraz charakterystyki oświetlanego fotoogniwa dla
wszystkich pięciu filtrów barwnych. Napięcie U zasilacza oraz fotoprąd I z amperomierza zapisywać w
Tabeli 2 zamieszczonej na końcu instrukcji, zwracając uwagę na jednostki mierzonych wielkości.
Autotransformator (7) ustawić w pozycji 1, aby uzyskać maksymalną intensywność światła.
7
2.3 Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych w zależności od intensywności padającego światła
Do zmiany intensywności padającego na
fotoogniwo światła służy autotransformator (7),
pozwalający na uzyskanie światła o różnym
natężeniu. Autotransformator posiada pokrętło z
zaznaczonymi punktami o numerach od 1 do 5.
Pomiarów dokonać tylko dla długości fali
ś
wietlnej λ = 612 nm. Zależność intensywności
ś
wiatła dla dostępnych długości fali świetlnej λ i
odpowiednich ustawień 1 – 5 autotransformatora
zawarto w Tabeli 3.
Należy
wykonać
charakterystyki
prądowo-napięciowe dla pięciu intensywności
ś
wiatła, zapisując napięcie U zasilacza oraz
fotoprąd I z amperomierza w Tabeli 4
zamieszczonej na końcu instrukcji, zwracając
uwagę na jednostki mierzonych wielkości.
Tabela 3
Intensywność światła L [mW/cm
2
]
Długość fali λ [nm]
612 564 496 405 351
P
o
zy
cj
a
1 2.68 1.35 0.20 0.07 0.41
2 1.82
3 1.11
4 0.58
5 0.24
3. Opracowanie wyników
Sprawozdanie powinno zawierać:
1.
Tabele pomiarowe 2 i 4 podpisane przez osobę prowadzącą laboratorium.
2.
Uzupełnić Tabele 2 i 4 o gęstość fotoprądu J oraz moc P, gdzie J = I / A, a P = U
J. Jako wielkość
powierzchni aktywnej fotoogniwa przyjąć A = 4.2 cm
2
.
3.
Wykreślić charakterystyki prądowo-napięciowe (zależności gęstości fotoprądu J od przyłożonego
napięcia U). Na podstawie Tabeli 2 i 4 wykonać dwa wykresy zbiorcze: na jednym wykresie
umieścić krzywe dla pięciu badanych fali świetlnych, a na drugim wykresie umieścić krzywe dla
pięciu badanych intensywności oraz wykres dla nieoświetlonego ogniwa.
4.
Na podstawie sporządzonych wykresów oraz wzorów: (3), (4) i (5) określić podstawowe
parametry ogniwa fotowoltaicznego, które zostały opisane we wstępie teoretycznym i zebrać je w
postaci odpowiednich tabel:
a) dla pomiarów opisanych w paragrafie 2.2:
Tabela 5
λ
[nm]
L
[mW/cm
2
]
J
SC
[µA/cm
2
]
U
OC
[V]
FF
[%]
η
[%]
351
405
496
564
612
8
b) dla pomiarów opisanych w paragrafie 2.3:
Tabela 6
λ = 612 nm
Pozycja
autotrans.
L
[mW/cm
2
] J
SC
[µA/cm2]
U
OC
[V]
FF
[%]
η [%]
1
2
3
4
5
5.
Na podstawie powyższych tabeli wykreślić zależność:
a)
wydajności η od długości fali świetlnej λ: η = f(λ),
b)
wydajności η od intensywności padającego światła L: η = f(L).
6.
Wykorzystując wzór (2) oraz długość fali świetlnej λ, dla której uzyskano największą wydajność η
ogniwa, oszacować wielkość przerwy energetycznej półprzewodnika wykorzystanego do budowy
badanego fotoogniwa, a na podstawie Tabeli 1 spróbować określić rodzaj materiału z jakiego
zostało wykonane ogniwo.
7.
Sformułować wnioski jakie wynikają z przeprowadzonych pomiarów wydajności fotoogniwa w
zależności od długości i intensywności użytego światła.
Wymagania
1.
Model pasmowy ciał stałych.
2.
Złącze p-n (wpływ polaryzacji).
3.
Oddziaływanie światła z materią.
Literatura
1.
Zdzisław M. Jarzębski „Energia słoneczna. Konwersja fotowoltaiczna”, PWN, W-wa 1990
2.
Jan Karniewicz, Telesfor Sokołowski „Podstawy fizyki laboratoryjnej”, Wydawnictwo Politechniki
Łódzkiej, Łódź 1996
3.
UZUPEŁNIENIE A do laboratorium z fizyki ciała stałego dostępne na
www.kfm.p.lodz.pl
4.
Jacek Ulański – wykład 18. „Fizyka ciała stałego” dostępny na
www.kfm.p.lodz.pl
5.
Czesław Bobrowski „Fizyka – krótki kurs”, WNT, W-wa 2004
6.
Roman Śledziewski „Elektronika dla fizyków”, PWN, W-wa 1984
7.
Centrum Fotowoltaiki w Polsce –
www.pv.pl
9
Tabela 2
λ [nm]:
Lp.
U
[V]
ciemny
351
405
496
564
612
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
1
-0.4
2
-0.2
3
0.0
4
0.2
5
0.4
6
0.6
7
0.8
8
1.0
9
1.2
10
1.4
11
1.6
12
1.8
13
2.0
14
2.2
15
2.4
16
2.6
17
2.8
18
3.0
10
Tabela 4
Pozycja autotransformatora:
Lp.
U
[V]
1
2
3
4
5
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
I
[µ
A
]
J
[µ
A
/c
m
2
]
P
[
µ
W
/c
m
2
]
1
-0.4
2
-0.2
3
0.0
4
0.2
5
0.4
6
0.6
7
0.8
8
1.0
9
1.2
10
1.4
11
1.6
12
1.8
13
2.0
14
2.2
15
2.4
16
2.6
17
2.8
18
3.0