Scan0017 (9)

220

14. Ogniwa fotowoltaiczne

Rysunek 14.1

Mechanizm fotowoltaiczny: a) mechanizm powstawania dziury, b) wsteczny szczątkowy prąd dyfuzyjny (bez światła), c) przepływ prądu (oświetlenie)

przesuwa nośniki różnych znaków w przeciwne strony: elektrony do obszaru N, a dziury do obszaru P. Powoduje to powstawanie na złączu zewnętrznego napięcia elektrycznego (efekt fotowoltaiczny). Ponieważ rozdzielone ładunki są nośnikami nadmiarowymi (mają nieskończony czas życia), a napięcie na złączu PN jest stałe, złącze działa jak ogniwo elektryczne. Mechanizm tego zjawiska, w wyniku którego płynie prąd w fotoogniwie przedstawia rys. 14.1c.

W rozdziale 5., poświęconym promieniowaniu słonecznemu, dowiedzieliśmy się, że energię fotonu, wyrażoną w elektronowoltach, określa wzór (5.11)

E = hv = hv/X    (14.1)

który dla promieniowania słonecznego upraszcza się do postaci

E = 1,24/A    (14.2)

Długość fali A w zależności (14.2) jest wyrażona w mikrometrach.

Nie wszystkie fotony mają odpowiednią energię do „wybijania” w półprzewodnikach elektronów, których praca wyjścia z pasma walencyjnego na poziom przewodnictwa katody wynosi 2 eV. Z podstawienia tej wartości do równania (14.2) wynika, że dokonać tego może promieniowanie o długości fali mniejszej

i

14.2. Mechanizm efektu fotowoltaicznego

221

niż 0,64 |im. Warunek ten spełnia tylko 30% promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi. Nie cała praca wyjścia elektronów, które docierają do anody, może być wykorzystana. Część energii tych elektronów (ok. 50%) zamieniona jest w anodzie na ciepło i wypromieniowana do otoczenia. Biorąc to wszystko pod uwagę jest łatwo obliczyć, że gdyby praca wyjścia elektronu z katody pozostała na poziomie 2 eV, to sprawność konwersji promieniowania słonecznego teoretycznie nie może przekroczyć 15%.

W tablicy 14.2 zestawiono maksymalne sprawności konwersji energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną w funkcji długości fali dla czystego krzemu o przerwie energetycznej 1 eV, dla którego długość graniczna fali 1 wynosi 1,1 pm [14.4].

Tablica 14.2. Sprawności konwersji energii słonecznej na energię elektryczną dla krzemu

Przedział X mm	Udział energii w przedziale %	Część energii ulegająca konwersji w danym przedziale %	Sprawność konwersji %
>0,3	0	_	_
0,3-5-0,5	17	0,36	6
0,5+0,7	28	0,55	15
0,7 h-0,9	20	0,73	15
0,9-5-1,1	13	0,91	12
> 1,1	22	0	0
	100		48

Charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa słonecznego z krzemu amorficznego (a-Si) przy oświetleniu jednostkowym 1 sun = 100 mW/cm² oraz przy ; różnym nasłonecznieniu są przedstawione na rys. 14.2 i 14.3.

Sprawność konwersji energii słonecznej na energię elektryczną wyraża

1 zależność i

V = £5 100%    (14.3)

w której: I, U — odpowiednio natężenie prądu i napięcie elementu fotoelek-trycznego; A — powierzchnia fotoogniwa.

Sprawność fotoogniwa można również wyrazić wzorem

V = ^IkU£[^F 100%    (14.4)

w którym: I_k — prąd zwarcia, U_oc — napięcie otwartego obwodu, FF — współczynniki wypełnienia charakterystyki.

Współczynnik FF charakteryzujący fotoogniwo jest stosunkiem pola prostokąta wyznaczonego przez I_k i U_oc do pola pod charakterystyką (rys. 14.2).