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