background image

 

BADANIE MODUŁU SŁONECZNEGO 

 

1.

 

Wstęp teoretyczny 

Systemy  fotowoltaiczne  przetwarzają  promieniowanie  słoneczne  bezpośrednio 

w energię elektryczną. 

Podstawą tej technologii są materiały półprzewodnikowe takie jak krzem. Typowe ogniwo 

słoneczne  składa  się  z  dwóch  różnie  domieszkowanych  półprzewodników.  Domieszkowanie 

jest  to  kontrolowane  wprowadzanie  zanieczyszczeń  do  materiału  bazowego.  W  przypadku 

czystego  kryształu  półprzewodnika  (np.  krzemu)  zastępuje  się  niektóre  atomy  w  siatce 

krystalicznej  pierwiastkami  mającymi  o  jeden  elektron  walencyjny  więcej  lub  o  jeden 

elektron  walencyjny  mniej  niż  materiał  podstawowy  (elektrony  walencyjne  określają 

zachowanie  chemiczne  materiału,  są  one  umiejscowione  na  zewnętrznej  powłoce 

elektronowej atomu). Pierwiastki półprzewodzące mają cztery elektrony walencyjne z których 

wszystkie są wykorzystane w wiązaniach w siatce krystalicznej.  

Jeśli  materiał  domieszki  ma  pięć  elektronów  walencyjnych,  jeden  z  nich  będzie 

dodatkowym,  słabo  związanym  z  atomem  domieszkującym.  „Wolne„  elektrony  mogą 

poruszać się łatwo w siatce i są odpowiedzialne za zwiększenie przewodności. Ponieważ mają 

one ładunek ujemny, materiał domieszkowany w ten sposób jest nazywany półprzewodnikiem 

typu „n”. 

Jeśli  z  kolei  materiał  domieszkujący  ma  tylko  trzy  elektrony  walencyjne,  siatka 

krystaliczna  będzie  miała  niedomiar  elektronów  to  znaczy  będzie  miała  jedna  „dziurę” 

(ładunek  dodatni)  na  atom  domieszki.  Podobnie  do  powyższych  wolnych  elektronów  dziury 

mogą się łatwo przemieszczać w siatce zwiększając ponownie przewodność. Ponieważ w tym 

przypadku  wolne  ładunki  są  dodatnie,  ten  rodzaj  półprzewodnika  jest  nazywany 

półprzewodnikiem typu „p”. 

Jeśli  półprzewodnik  typu  n  zostanie  połączony  z  półprzewodnikiem  typu  p,  powstaje 

złącze  p-n.  Różnice  koncentracji  dziur  i  wolnych  elektronów  pomiędzy  rejonami  n  i  p, 

powodują  powstanie  prądu  dyfuzyjnego:  elektrony  przepływają  z  obszaru  n  do  obszaru  p 

i wypełniają  dziury.  To  tworzy  region  który  jest  prawie  pozbawiony  wolnych  nośników 

ładunku i dlatego jest nazywany warstwa zubożoną.  

W warstwie zubożonej po stronie n jest dodatni ładunek netto, a po stronie p ujemny  co 

powoduje powstanie pola elektrycznego zapobiegającego dalszemu przepływowi elektronów. 

Im więcej elektronów przepłynie ze strony n na stronę p tym silniejsze jest to pole. Prowadzi 

to  do  ustalenia  się  stanu  równowagi  w  którym  przepływ  elektronów  ustaje.  Różnica 

background image

 

potencjałów w polu równowagowym jest nazywana napięciem dyfuzji. To napięcie nie może 

być  wykorzystane  w  zewnętrznym  obwodzie.  Jednakże  gdy  światło  pada  na  ogniwo 

słoneczne,  równowaga  zostaje  zaburzona  i tak  zwany  wewnętrzny  efekt  fotowoltaiczny 

powoduje  powstanie  dodatkowych  nośników  ładunku  mogących  poruszać  się  w  polu 

elektrycznym warstwy zubożonej. 

Dziury  poruszają  się  w  kierunku  regionu  p  a  elektrony  w  kierunku  n,  powodując 

powstanie zewnętrznego napięcia (biegu jałowego) ogniwa. Napięcie biegu jałowego ogniwa 

słonecznego  zależy  od  materiału  a  nie  od  jego  powierzchni.  Fotoogniwa  krzemowe  mają 

napięcie  biegu  jałowego  około  0,5  V.  Większe  napięcia  można  uzyskać  łącząc  ogniwa 

szeregowo. 

 

Rys.1.1 Budowa ogniwa słonecznego 

Prąd  dostarczany  przez  fotoogniwo  zależy  od  natężenia  światła  padającego  na  nie. 

Równoległe łączenie ogniw pozwala na uzyskanie większego prądu. Moc ogniwa zależy nie 

tylko od samego ogniwa ale również od przyłączonego obciążenia elektrycznego. Punkt mocy 

maksymalnej można określić z charakterystyki napięciowo-prądowej ogniwa. 

2.

 

Sprawność ogniwa słonecznego 

Sprawność  ogniwa  słonecznego  jest  stosunkiem  maksymalnej  mocy  elektrycznej  P

el

wydzielonej na obciążeniu, do padającej mocy promieniowania P

rad

rad

el

in

out

P

P

P

P

=

=

η

 

Z  powyższego  równania  wynika,  że  dla  uzyskania  maksymalnej  sprawności 

zasadnicze  znaczenie  ma  osiągnięcie  maksymalnej  mocy  elektrycznej  w  danych  warunkach 

oświetleniowych, co wymaga rozwiązania szeregu problemów. Na rysunku 2.1 przedstawiono 

background image

 

rozkład  widmowy  promieniowania  Słońca  (T  =  5800  K).  Jak  łatwo  się  przekonać,  górnej 

granicy  przerwy  energetycznej  w  krzemie  Eg  =  1,12  eV  odpowiada  długość  fali  λg  =  1100 

nm. Zatem wszystkie fotony widma słonecznego o energii E < Eg mają zbyt małą energię aby 

wykreować w złączu parę elektron-dziura. Oznacza to, że ok. 23% energii fotonów widma nie 

ma  wpływu  na  sprawność  η.  Należy  podkreślić,  że  w  przypadku  materiałów  o  szerszej 

przerwie energetycznej Eg sytuacja jest jeszcze mniej korzystna. Jak już wspomniano, jedynie 

fotony o energii E > Eg produkują pary elektron - dziura o energii E. Nadwyżka energii 

 

Eg tracona jest w półprzewodniku na ciepło co oznacza, ze jedynie energia Eg zamieniana jest 

na  energię  elektryczną.  Obydwa  efekty  prowadzą  do  wykorzystania  jedynie  44%  energii 

fotonów widma, co jest górną, 

teoretyczną

 granicą sprawności.  

Na rysunku 2.2 porównano charakterystyki prądowo - napięciowe ogniw, wykonanych 

z arsenku galu GaAs (Eg = 1,41 eV) oraz krzemu, badanych w tych samych warunkach. Jak 

wynika  z  rysunku,  materiał  o  szerszej  przerwie  energetycznej  wytwarza  niższe  napięcie  w 

obwodzie otwartym Uoc (większy jest prąd zwarcia Is). Materiał o mniejszej Eg (absorbujący 

większą część padającego widma 

 por. rys. 2.12) wytwarza wyższe Uoc (mniejszy prąd Is).  

 

 

Rysunek 2.1 Widmo emisyjne Słońca (przybliżone krzywą promieniowania ciała 

doskonale czarnego) w funkcji energii fotonow z zaznaczoną wartością przerwy 

energetycznej Si

 

 

background image

 

 

 

Rysunek 2.2 Porównanie charakterystyk ogniw słonecznych wykonanych z arsenku 

galu GaAs i krzemu Si

 

 

Ponieważ  droga  dyfuzji  nośników  w  krzemie  jest  większa  niż  w  arsenku  galu,  w 

krzemie  zbiera  się  więcej  generowanych  światłem  nośników.  Analizując  położenie  MPP 

można  wykazać,  że  bardziej 

prostokątny

  przebieg  charakterystyki  oznacza  większą 

sprawność  ogniwa.  Widmo  słoneczne  ogranicza  zatem  grupę  materiałów  możliwych  do 

zastosowania  w  ogniwach.  Przy  projektowaniu  ogniw  słonecznych  konieczna  jest 

optymalizacja czułości widmowej materiału. Z kolei, aby wychwycić nośniki generowane na 

oświetlonej  powierzchni  przez  fotony  nie  wnikające  w  głąb  materiału  (hν  >>  Eg),  warstwa 

wierzchnia ogniwa musi być 

 jak wspomniano na wstępie 

 bardzo cienka. Im cieńsza jest 

warstwa,  przez  którą  dyfundują  nośniki,  tym  większy  jest  opór  wewnętrzny  ogniwa. 

Konieczny jest więc rozważny kompromis pomiędzy wysoką sprawnością wychwytywania a 

małym  oporem  wewnętrznym.  Straty  promieniowania  wskutek  odbić  są  zazwyczaj 

ograniczone  poprzez  zastosowanie  powłok  antyodbiciowych.  Z  powyższych  względów 

przykładowe, realne sprawności ogniw słonecznych osiągają następujące wartości: 

 krzem monokrystaliczny: ok. 14 - 16%; 

 krzem polikrystaliczny: ok. 13 - 15%; 

 krzem amorficzny: ok. 5 - 7%; 

 monokrystaliczny arsenek galu: ok. 11%.[2] 

3.

 

Wyznaczenie sprawności i punktu mocy maksymalnej MPP 

Aby  wyznaczyć  sprawność  modułu  słonecznego  musimy  znać  wartość  mocy 

promieniowania słonecznego padającego na moduł P

in

 i jego moc elektryczną. 



 

Należy  dokonać  pomiaru  mocy  promieniowania  świetlnego  padającego  na 

jednostkę  powierzchni  modułu  E[W/m

2

].  Tę  wartość  należy  pomnożyć  przez 

efektywną powierzchnię modułu S[m

2

] aby wyznaczyć moc P

rad

background image

 

Sprawność można wyznaczyć ze wzoru 

S

E

P

P

P

P

P

el

rad

el

in

out

=

=

=

η

 



 

W przypadku braku możliwości zmierzenia natężenia promieniowania świetlnego 

można  posłużyć  się  faktem,  że  prąd  zwarciowy  modułu  jest  proporcjonalny  do 

ilości  fotonów  padających  na  ogniwo,  a  więc  i  do  mocy  promieniowania 

ś

wietlnego. Napięcie biegu jałowego zależy od materiału fotoogniwa, a nie od jego 

oświetlenia,  więc  nie  może  być  wykorzystane  w  tym  pomiarze.  Aby  wyznaczyć 

moc  promieniowania  należy  pomnożyć  wartość  prądu  zwarcia  ogniwa  przez 

współczynnik  F  i  powierzchnię  modułu.  Ten  współczynnik  jest  zależny  od 

wartości maksymalnej prądu zwarcia ogniwa. Wartość maksymalną prądu zwarcia 

fotoogniwa podaje wytwórca dla mocy promieniowania 1000 W/m

2

 

Przykład: 

Producent  podał  wartość  maksymalną  prądu  zwarcia  fotoogniwa  dla  mocy 

promieniowania 1000 W/m

2

; I

scmax

 = 350 mA. Wymiary ogniwa: 25mm x 50mm, zmierzona 

moc elektryczna P

el 

=

 

0,311W

 

2

2

86

,

2

350

1000

mAm

W

mA

m

W

F

=

=

 

Dla  wyznaczenia  mocy  promieniowania  padającego  na  moduł,  należy  pomnożyć 

zmierzony prąd zwarcia I

sc

 przez współczynnik F i powierzchnię modułu S.  

np. zmierzony prąd zwarcia I

sc 

= 180mA: 

W

m

mA

mAm

W

S

I

F

P

P

sc

rad

in

57

,

2

10

5

180

86

,

2

2

3

2

=

=

=

=

  

%

12

12

,

0

57

,

2

311

,

0

=

=

=

=

rad

el

P

P

η

 

Wyznaczanie MPP 

Punktem  maksymalnej  mocy  (MPP)  jest  maximum  krzywej  mocy  P  =  f(U)  rys3.1.  MPP 

może  być  również  wyznaczony  z  charakterystyki  prądowo-napięciowej  jako  prostokąt 

o maksymalnym polu powierzchni oparty na osiach współrzędnych i wierzchołku należącym 

do krzywej rys.3.2. Rezystancję optymalną R

opt

 w punkcie MPP określa wzór 

 

MPP

MPP

opt

I

U

R

=

 

 
 

background image

 

 

Rys.3.1 Krzywa mocy ogniwa

 

 

 

Rys.3.2 Charakterystyka prądowo-napięciowa modułu słonecznego 

 

 

Dla  charakterystyki  I  =  f(U)  definiowany  jest  współczynnik  wypełnienia  FF  – 

współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor), który ma postać 

SC

OC

MPP

MPP

SC

OC

I

U

I

U

I

U

P

FF

=

=

max

osiąga jedność gdy krzywa I = f(U) zbliża się kształtem do prostokąta o bokach U

oc

 i I

sc

 
 
 
 
 
 

background image

 

4.

 

Schemat układu pomiarowego 

 

Rys.4.1 Schemat układu pomiarowego 

 

5.

 

Przebieg ćwiczenia 

Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapisać dane znamionowe badanego ogniwa 

5.1

 

Wyznaczanie charakterystyki prądowo napięciowej 

Tabela pomiarów 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I[mA]  0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.2

 

Wyznaczanie krzywej mocy ogniwa 

Tabela obliczeń 

U[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P[W]  0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3

 

Wyznaczanie rezystancji optymalnej 

Tabela obliczeń 

P[W]  0 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

6.

 

Wyznaczenie mocy ogniwa w funkcji kąta padania  

Tabela pomiarów i obliczeń 

α

[˚] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U[V] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I[A] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P[W] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.

 

Wzory 



 

Sprawność badanego modułu  

S

I

F

P

E

U

J

FF

S

E

I

U

FF

S

E

P

SC

OC

SC

SC

OC

=

=

=

=

max

max

η

 

P

max

 = P

MPP 

– maksymalna moc ogniwa [W] (ang. MPP – Maximum Power Point

E – natężenie promieniowania słonecznego [W/m

2

S- powierzchnia badanego modułu [m

2

FF – współczynnik wypełnienia (ang. Fill Factor

U

OC

 – napięcie ogniwa otwartego, nieobciążonego (ang. Open-Circuit Voltage) [V] 

I

SC

 – prąd zwarciowy (ang. Short-Circuit Current) [A] 

J

SC

 –gęstość prądu zwarcia [A/m

2

F – współczynnik zależny od wartości maksymalnej prądu zwarcia ogniwa 

 

]

[

1000

2

max

A

m

W

I

F

SC

=

        I

SCmax

 – maksymalny prąd zwarcia podany przez producenta 



 

Współczynnik wypełnienia FF 

SC

OC

MPP

MPP

SC

OC

I

U

I

U

I

U

P

FF

=

=

max

 



 

R

opt

 

max

2

P

U

R

MPP

opt

=

 

8.

 

Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 



 

Charakterystykę prądowo-napięciową badanego modułu I = f(U) z zaznaczonym 

punktem MPP 



 

Krzywą mocy, z zaznaczonym punktem mocy maksymalnej P = f(U) 



 

Wykres P = f(R), z zaznaczonym R

opt

 



 

Wyznaczony współczynnik FF, oraz sprawność maksymalną modułu 



 

Wykres 

η

 = f(P)          

 

background image

 

9.

 

Literatura 

1.

 

Sarniak M. – Podstawy fotowoltaiki – Oficyna Wydawnicza Politechniki   

Warszawskiej 2008 

2.

 

Piotr Grygiel i Henryk Sodolski - Laboratorium Konwersji Energii - Wydział Fizyki 

Technicznej i Matematyki Stosowanej, Politechnika Gdańska 2006 

3.

 

Ewa Klugmann-Radziemska – Fotowoltaika w teorii i praktyce - Wydawnictwo BTC 

Legionowo 2010