Quyosh energiyasini konversiyalashning fizik asoslari

Pn birikmasining fotoelektrik xossalari

Bir kristalli kremniyga asoslangan eng oddiy quyosh batareyasi quyidagi dizayndir: p-tipli kremniy gofreti yuzasidan sayoz chuqurlikda, to'rli metall kontaktli pn birikmasi hosil bo'ladi; plastinkaning orqa tomoniga qattiq metall kontakt qo'llaniladi.
Pn birikmasi yarimo'tkazgichning yoritilgan yuzasiga yaqin joylashgan bo'lsin. Quyosh batareyasini elektr energiyasi manbai sifatida ishlatganda, uning terminallariga yuk qarshiligi ulanishi kerak . Avval ikkita ekstremal holatni ko'rib chiqamiz: Rn=0 (qisqa tutashuv rejimi) va Rn=∞ (bo'sh rejim). Ushbu rejimlar uchun zona diagrammalari 1.5-rasmda ko'rsatilgan. a, b.



Guruch. 1.5. Rejimda yoritilganda pn-o'tish zonasining energiya diagrammalari: a - qisqa tutashuv; b - harakatsiz; c - yuk qarshiligini yoqish.

Birinchi holda, yoritilgan pn-birikmasining tarmoqli diagrammasi termodinamik muvozanatdagi (yoritmasdan va qo'llaniladigan kuchlanishsiz) tarmoqli diagrammasidan farq qilmaydi, chunki tashqi qisqa tutashuv n- va p-hududlari o'rtasida nol potentsial farqni ta'minlaydi . . Shu bilan birga, p mintaqasida elektron-teshik juftlarining fotogeneratsiyasi tufayli pn-birikmasi va tashqi o'tkazgich orqali oqim o'tadi . Fazoviy zaryad mintaqasiga bevosita yaqin joyda hosil bo'lgan fotoelektronlar pn o'tish joyining elektr maydoni tomonidan olib ketiladi va n mintaqaga kiradi. Qolgan elektronlar pn o'tish joyiga tarqalib, o'z yo'qotilishining o'rnini to'ldirishga harakat qiladi va oxir-oqibat n mintaqasiga ham tushadi. N-mintaqada elektronlarning orqa metall kontaktiga yo'naltirilgan harakati sodir bo'lib, tashqi kontaktlarning zanglashiga olib o'tadi va p-mintaqadagi kontaktga o'tadi. P-mintaqa bilan aloqa chegarasida bu erga fotogeneratsiyalangan teshiklar bilan yaqinlashayotgan elektronlarning rekombinatsiyasi sodir bo'ladi [32].

Pn-o'tishning ochiq tashqi zanjiri bilan (1.5-rasm, b) n-mintaqaga tushgan fotoelektronlar unda to'planadi va n-mintaqani manfiy zaryad qiladi. P-mintaqada qolgan ortiqcha teshiklar p-mintaqani ijobiy zaryad qiladi. Olingan potentsiallar farqi ochiq zanjirli kuchlanish Ux.x bo'lib, Ux.x qutbliligi pn birikmasining oldinga egilishiga mos keladi.
Yorug'lik hosil qiluvchi tashuvchilarning oqimi fototokni hosil qiladi . Qiymat vaqt birligida pn o'tish joyidan o'tgan fotogeneratsiyalangan tashuvchilar soniga teng:


,

Bu erda q elektron zaryadining qiymati; n chastotali so'rilgan monoxromatik nurlanishning kuchi.

Bu erda yarimo'tkazgichda h n energiyaga ega har bir foton yutilgan deb taxmin qilinadi . ≥Eg bitta elektron-teshik juftligini hosil qiladi. Bu holat Si va GaAs asosidagi quyosh xujayralari uchun yaxshi qondiriladi.
Quyosh xujayrasidagi nol ichki ohmik yo'qotishlar bilan qisqa tutashuv rejimi (1.5-rasm, a) pn birikmasining nol kuchlanishiga teng, shuning uchun qisqa tutashuv oqimi Ik.z. fototokga teng


.

Bo'sh rejimda (1.5-rasm, b) fototok in'ektsiya toki bilan muvozanatlanadi Im-to'g'ridan-to'g'ri oqim pn-o'tish joyidan egilish kuchlanishi Ux.x.da sodir bo'ladi. In'ektsiya tokining mutlaq qiymati:

,

qaerdan If>>I0 uchun

,

bu yerda Boltsman doimiysi, 1,38 10-23 J/K=0,86 10-4 eV/K;

- mutlaq harorat, to'yinganlik oqimi; "nomukammallik koeffitsienti" - quyidagi qonun bo'yicha grafikning turli segmentlari uchun 1 dan 2 gacha o'zgarib turadigan pn-o'tishning oqim kuchlanishining parametri:


,

bu erda - oqim zichligi (yoki oqimning mutlaq qiymati) bir tartib bilan tangensial ravishda oshishi bilan kuchlanish o'sishi.

Quyosh yoritilishining ish qiymatlarida sifatli fotosellar uchun A birlikka yaqin.
Fotoelementning ishlashi kichik oqim tashuvchilarning rekombinatsiyasi bilan birga keladi (bu holda p-hududdagi elektronlar va n-hududdagi teshiklar). Rekombinatsiya hodisalarida elektron-teshik juftlarining potentsial energiyasi hy ≈Eg bo'lgan fotonlarni chiqarish orqali chiqariladi yoki kristall panjarani isitishga sarflanadi. Ikkala jarayon ham sxematik tarzda rasmda qo'shimcha o'qlar bilan ko'rsatilgan. 1.5., b. Quyosh batareyasining bo'sh rejimi oldinga yo'nalishda rektifer diodlarining ishlash rejimiga teng.

Quyosh batareyasining 1,6 Volt-amper xarakteristikasi

Quyosh batareyasining ideal oqim kuchlanish xususiyati

Yoritilgan pn-o'tishning joriy kuchlanish xarakteristikasining umumlashtirilgan ifodasini topamiz. Bunday holda, shuni hisobga olish kerakki, butun fotogeneratsiya oqimi odatda ikki qismga bo'linadi - bir qismi yuk qarshiligi orqali yopiladi va fotoelementning foydali ish oqimini hosil qiladi, ikkinchi qismi esa fotoelement ichida yopiladi va dioddagi ish zo'riqishida hisoblangan to'g'ridan-to'g'ri (oldinga yo'naltirilgan birlashma qarshi oqimi) diod oqimini ifodalaydi. Diyotning to'g'ridan-to'g'ri oqimining taniqli ifodasini hisobga olsak, biz tenglikni yozishimiz mumkin:


.

Yukdagi oqim yo'nalishi har doim If yo'nalishiga to'g'ri keladi. Keyin, agar oqimning yo'nalishini ijobiy deb olsak, In uchun quyidagicha yozishimiz mumkin:

,

bu erda Un - yukdagi kuchlanish, pn birikmasidagi kuchlanishga teng; Qolgan miqdorlar yuqorida tavsiflangan.

Ifoda ideal yoritilgan pn-o'tishning yuk oqimi-kuchlanish xarakteristikasini tavsiflaydi.

.7 Quyosh batareyasi materiallari

Ko'pgina quyosh batareyalari ishlab chiqarilgan kremniy "XXI asr nefti" deb ataladi. Hisob-kitoblar shuni ko'rsatadiki, samaradorligi 15% bo'lgan, 1 kg kremniy ketgan quyosh batareyasi 30 yil davomida 300 MVt / soat elektr energiyasini ishlab chiqarishi mumkin [8].

75 tonna neft (IESning samaradorligi 33% va neftning kalorifik qiymati 43,7 MJ/kg ni hisobga olgan holda) sarflanganda teng miqdorda elektr energiyasi olish mumkin. Shunday qilib, 1 kg kremniy 75 tonna neftga teng.
Boshqa materiallar hali ham kam qo'llaniladi
Monokristalli kremniy
Heteroduktsiyali amalda ishlaydigan tuzilmalarda bugungi kunda samaradorlik 30% dan oshadi.
Ammo bitta kristalli kremniy parametrlarning umumiyligi bo'yicha hali ham yaxshiroqdir. Bir kristalli kremniyga asoslangan quyosh batareyalarida o'rtacha samaradorlik bugungi kunda taxminan 12% ni tashkil qiladi, garchi u 18% ga etadi. Silikon galliy arsenidiga qaraganda ancha qulay va o'zlashtirilgan materialdir. Silikon tabiatda keng tarqalgan va uning asosida quyosh batareyalarini yaratish uchun xom ashyo zahiralari deyarli cheksizdir. Bir kristalli kremniy quyosh batareyalarini ishlab chiqarish texnologiyasi yaxshi yo'lga qo'yilgan va doimiy ravishda takomillashtirilmoqda. Yangi avtomatlashtirilgan ishlab chiqarish usullarini joriy etish orqali kremniyli quyosh batareyalari tannarxini bir yoki ikki darajaga pasaytirishning real istiqboli mavjud bo'lib, ular, xususan, kremniy lentalari, keng maydonli quyosh batareyalari va boshqalarni olish imkonini beradi.
Bir kristalli kremniyga asoslangan konstruksiyalarni ishlab chiqarish texnologik jihatdan murakkab va qimmat jarayondir. Shuning uchun e'tibor amorf kremniy qotishmalari (a-Si: H), galliy arsenid va polikristalli yarim o'tkazgichlar kabi materiallarga qaratildi.
polikristalli kremniy.
Polikristalli kremniyga asoslangan quyosh xujayralari ishlab chiqarishda tortish operatsiyasi (bir kristall olish) o'tkazib yuboriladi, u kamroq energiya talab qiladi va ancha arzon. Shu bilan birga, polikristalli kremniy kristalli ichida don chegaralari bilan ajratilgan hududlar mavjud bo'lib, hujayra samaradorligining yomonlashishiga olib keladi.
Bundan tashqari, katta maydonga ega bo'lgan amorf kremniyning yupqa plyonkalarini ishlab chiqarish uchun mavjud texnologiyalar tufayli bir kristalli kremniyga asoslangan SClar uchun zarur bo'lgan kesish, silliqlash va parlatish operatsiyalari talab qilinmaydi. Polikristalli kremniy xujayralari bilan solishtirganda, a-Si: H asosidagi mahsulotlar past haroratlarda (300 ° C) ishlab chiqariladi: arzon shisha tagliklardan foydalanish mumkin, bu esa kremniy sarfini 20 barobar kamaytiradi.
Hozirgacha a-Si:H ga asoslangan sanoat xujayralarining maksimal samaradorligi - 12% - sanoat kristalli kremniy quyosh batareyalarining samaradorligidan (~ 18%) biroz pastroq. Biroq, texnologiya rivojlanishi bilan a-Si:H asosidagi elementlarning samaradorligi 16% nazariy shiftga yetishi mumkin.
Gallium arsenid yuqori samarali quyosh batareyalarini yaratish uchun eng istiqbolli materiallardan biridir. Bu quyidagi xususiyatlar bilan bog'liq:

• 
  bir o'tishli quyosh xujayralari uchun deyarli ideal, tarmoqli bo'shlig'i 1,43 eV;
  
• 
  quyosh nurlanishini yutish qobiliyatini oshirish: faqat bir necha mikron qalinlikdagi qatlam kerak;
  
• 
  yuqori radiatsiya qarshiligi, bu yuqori samaradorlik bilan birga ushbu materialni kosmik kemalarda foydalanish uchun juda jozibali qiladi;
  
• 
  GaAs asosidagi batareyalarning nisbiy issiqlik befarqligi;
  
• 
  Alyuminiy, mishyak, fosfor yoki indiy bilan GaAs qotishmalarining xususiyatlari GaAs ni to'ldiradi, bu esa quyosh xujayrasi dizayni imkoniyatlarini kengaytiradi.
  

Galliy arsenid va unga asoslangan qotishmalarning asosiy afzalligi SC dizayni uchun keng imkoniyatlardir. GaAs asosidagi fotoelement turli tarkibdagi bir necha qatlamlardan iborat bo'lishi mumkin. Bu dizaynerga kremniy quyosh xujayralarida ruxsat etilgan doping darajasi bilan cheklangan zaryad tashuvchilarning avlodini katta aniqlik bilan boshqarish imkonini beradi. Odatdagi GaAs quyosh xujayrasi deraza sifatida AlGaAs ning juda yupqa qatlamidan iborat.
Galliy arsenidning asosiy kamchiligi uning yuqori narxidir. Ishlab chiqarish tannarxini pasaytirish uchun quyosh batareyalarini arzonroq substratlarda shakllantirish taklif etiladi; olinadigan yoki qayta ishlatilishi mumkin bo'lgan substratlarda GaAs qatlamlarini o'stiring.
Polikristal plyonka elementlari
Polikristalli yupqa plyonkalar ham quyosh energiyasi uchun juda istiqbolli. Mis va indiy diselenidi (CuInSe2) quyosh nurlanishini o'zlashtirishning nihoyatda yuqori qobiliyatiga ega - yorug'likning 99% bu materialning birinchi mikronda so'riladi (tarmoq oralig'i - 1,0 eV). CdS CuInSe2 asosida quyosh batareyasi oynasini ishlab chiqarish uchun eng keng tarqalgan materialdir. Ba'zida oyna shaffofligini yaxshilash uchun kadmiy sulfidga sink qo'shiladi. CuInSe2 qatlamidagi ozgina galyum tarmoqli bo'shlig'ini oshiradi, bu esa ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishning oshishiga va natijada qurilmaning samaradorligini oshirishga olib keladi.
Kadmiy tellurid (CdTe) fotovoltaiklar uchun yana bir istiqbolli materialdir. U deyarli ideal tarmoqli bo'shlig'iga (1,44 eV) va juda yuqori nurlanishni yutish qobiliyatiga ega. CdTe plyonkalarini ishlab chiqarish ancha arzon. Bundan tashqari, kerakli xususiyatlarga ega qatlamlarni yaratish uchun Zn, Hg va boshqa elementlar bilan turli xil CdTe qotishmalarini olish texnologik jihatdan oson.
CuInSe2 singari, eng yaxshi CdTe-ga asoslangan hujayralar deraza qatlami sifatida CdS bilan hetero-birikmani o'z ichiga oladi. Qalay oksidi shaffof kontakt va aks ettirishga qarshi qoplama sifatida ishlatiladi. CdTe dan foydalanish yo'lidagi jiddiy muammo p-CdTe qatlamining yuqori qarshiligi bo'lib, bu katta ichki yo'qotishlarga olib keladi. Lekin u CdTe/ZnTe heterobirikmasi bilan pin tuzilishida hal qilinadi. CdTe plyonkalari zaryad tashuvchilarning yuqori harakatchanligiga ega va ular asosidagi quyosh xujayralari yuqori samaradorlik ko'rsatkichlariga ega, 10 dan 16% gacha.
organik materiallar
Quyosh batareyalari orasida organik materiallardan foydalanadigan batareyalar alohida o'rin tutadi.
Organik yarimo'tkazgichlar hali ham kamdan-kam uchraydigan, ammo fotovoltaiklar uchun juda istiqbolli materialdir. Quyosh xujayralarining rivojlanishidagi asosiy qiyinchilik - bu materiallardagi tashuvchilarning juda past harakatchanligi. Bu ichki qarshilikning oshishiga , rekombinatsiyaning oshishiga va samaradorlikning pasayishiga olib keladi.
Sinterlangan materiallar organik va noorganik materiallar, odatda organik bo'yoqlar va oksidli yarim o'tkazgichlarning nanostrukturali komplekslariga asoslangan materiallardir. Bu erda turli funktsiyalar turli materiallarga bo'linadi - organik bo'yoq yorug'likni o'zlashtiradi va oksidli yarim o'tkazgich zaryadlarni olib yuradi. Organik bo'yoq bilan qoplangan titan dioksidiga asoslangan quyosh batareyalarining samaradorligi juda yuqori - ~ 11%. Ushbu turdagi quyosh xujayralarining asosi organik bo'yoqning monoqatlami bilan qoplangan TiO2 dir. Elementning ishlash printsipi bo'yoqning fotoqo'zg'alishi va TiO2 o'tkazuvchanlik zonasiga tez elektron in'ektsiyasiga asoslangan.
AC yuklari
Kirish kuchlanishi
AC quvvatli yuklar odatda 220V AC, 50Hz uchun baholanadi. Ushbu turdagi yuklar uy jihozlarining katta qismini o'z ichiga oladi. Istisno - galvanik xujayralar bilan ishlaydigan qurilmalar.
Kamroq qo'llaniladigan o'zgaruvchan kuchlanish 110 yoki 220 V 60 Gts chastotali (Amerika standarti). Odatda 220V, 60Hz uchun mo'ljallangan maishiy texnika 50Hz da yaxshi ishlaydi. Kommutatsiya quvvat manbalari (televizorlar, zaryadlovchilar) bo'lgan ko'plab turdagi yuklar 90 dan 230 V 50 yoki 60 Gts gacha bo'lgan har qanday kuchlanishda normal ishlaydi, ammo bu qurilma pasportiga muvofiq tekshirilishi kerak.
DC yuklari kamroq tarqalgan va odatda 12-14V yoki undan kam avtomobil kuchi bilan quvvatlanadi.
Iste'mol oqimi
Nominal oqim iste'moli qurilmaning nominal quvvati va ta'minot kuchlanishi bilan belgilanadi: Inom = Pnom / Upit
Biroq, ko'pincha yuk juda chiziqli bo'lmagan yoki juda yuqori oqim oqimlariga ega bo'lishi mumkin.
Akkor lampalar
Akkor chiroqning sovuq filamentining qarshiligi issiq filamentdan deyarli 10 baravar kam. Shuning uchun 100 Vt akkor chiroqning boshlang'ich oqimi 4,5 A ga etadi. Bunday katta oqim filamentning uzilishiga olib kelishi mumkin (chiroq yoqilgan paytda yonib ketadi), lekin undan ham xavfliroq holat shundaki, filament singan paytda chiroqda yoy zaryadsizlanishi sodir bo'lganda, chiroq yonishi mumkin. portlaydi va favqulodda oqim qisqa tutashuv oqimiga teng. Katta boshlang'ich oqimlari inverterga zarar etkazishi mumkin. Past samaradorlik va yuqori boshlang'ich oqimlari tufayli akkor lampalar quyosh tizimlarida qo'llanilmaydi.
Impulsiv quvvat manbalariga ega qurilmalar (televizorlar, kompyuterlar va boshqalar).
Ular tarmoqqa ulanganda sig'imli filtr zaryadlanganligi bilan farq qiladi - 50h470mF quvvatga ega kondansatör. Boshlanish oqimini cheklash uchun odatda quvvat manbaiga o'rnatilgan termistor ishlatiladi. Bunday termistorning sovuq holatda qarshiligi taxminan 10 ohmni tashkil qiladi va shuning uchun boshlang'ich oqimi taxminan 22A ni tashkil qiladi. Biroq, qurilmaning ishlashi paytida termistorning qarshiligi isitish tufayli keskin pasayadi (taxminan 0,5 - 1 Ohm gacha). Agar quvvat manbai miltillasa, bu inverterning katta impulsli haddan tashqari yuklanishiga olib keladi va, ehtimol, kommutatsiya quvvat manbaiga zarar etkazishi mumkin.
Ba'zi kommutatsiya quvvat manbalarining konstruktsiyalari birlamchi tarmoqning ruxsat etilgan kuchlanish diapazoni 50 dan 60 Gts gacha bo'lgan har qanday chastotada 90V dan 230V gacha bo'lishi uchun qilingan. Bunday elektr jihozlari 110 va 220V tarmoqlarda kommutatsiyasiz ishlaydi. 90 dan 230 V gacha bo'lgan oraliqda doimiy kuchlanishdan foydalanish imkoniyati ham mavjud (masalan, batareyadan ), lekin bu ko'pchilik quvvat manbalarining dizayni bilan ta'minlanmagan.
Barcha kommutatsiya quvvat manbalarining muhim xususiyati kontaktlarning zanglashiga olib keladigan va ularning ishlash printsipi bilan uzviy bog'liq bo'lgan shovqin darajasining oshishi hisoblanadi. Interferentsiyani yumshatish uchun quvvat manbalariga o'rnatilgan maxsus filtrlardan foydalanish kerak. Biroq, Xitoyda ishlab chiqarilgan PSUlarning aksariyatida bunday filtrlar mavjud emas. Bu o'zaro aralashuvga olib kelishi mumkin, masalan, interferensiya televizor ekranida muntazam yoki tasodifiy chiziqlar yoki boshqa rasm tartibbuzarliklari sifatida ko'rinishi mumkin.
Shunga o'xshash hodisalar to'rtburchaklar chiqish kuchlanishiga ega soddalashtirilgan konfiguratsiya inverterlaridan foydalanganda ham paydo bo'lishi mumkin. Bunday muammolarni hal qilish quvvat pallasida maxsus filtrlarni o'rnatishdir.
Asenkron motorli asboblar (suv nasoslari, muzlatgichlar, fanatlar)
Asenkron motorlar yuk sifatida barcha tarmoq parametrlarida - kuchlanish, chastota, shaklda juda sezgir.
Agar asenkron vosita nominal mexanik yukda (masalan, muzlatgichda) ishga tushirilsa, u holda 1-2 soniya davomida boshlang'ich oqimi nominal oqimdan 8-10 baravar yuqori bo'ladi. Bu inverterning katta ortiqcha yuklanishiga olib keladi va katta hajmli invertorlardan foydalanishga majbur qiladi. Dvigatel tezligi tarmoqning aylanishiga mutanosibdir va tarmoq kuchlanishining shakli dvigatelning isishiga ta'sir qiladi. Kvadrat to'lqinli invertordan foydalanish asenkron motorning haddan tashqari qizib ketishiga olib keladi va shuning uchun juda istalmagan. Tarmoq kuchlanishi 20% ga kamaytirilsa , muzlatgich motori umuman ishga tushmasligi mumkin, bu ham qizib ketishiga olib keladi.
Asenkron motorni "fan" mexanik yuki bilan ishga tushirish odatda inverterning ortiqcha yuklanishiga olib kelmaydi.
Suv nasosining ishga tushirilishi oraliq holatdir, ammo bu erda, qoida tariqasida, bir necha soniya ichida 5-7 marta ortiqcha oqim paydo bo'ladi.
Muhim indüktans yoki juda chiziqli bo'lmagan yuklar.
Yukda sezilarli indüktans mavjudligi yoki oqim iste'molining kuchlanishga kuchli bog'liqligi (chiziqli bo'lmagan) chastota parametrlarini, nominal kuchlanishni va invertorning chiqish kuchlanish shaklini qat'iy kuzatish zarurligiga olib keladi. To'rtburchak chiqish kuchlanishiga ega oddiy invertorlardan foydalanish juda istalmagan, garchi ba'zida bu mumkin. Ushbu turdagi yukning asosiy turi 110 yoki 220 V lyuminestsent lampalar 50 Gts chastotada chok va starterdir. Yorqinlikning yorqinligini o'zgartirishga qo'shimcha ravishda, kuchlanish yoki chastotani o'zgartirish lampalarning ishlash muddatini, ba'zan esa 2 barobarga qisqartirishi mumkin.
Quyosh panellari (modullar)
Quyosh panellari (modullar) fotovoltaik tizimlarni qurish uchun asosiy komponent hisoblanadi. Ular ketma-ket yoki parallel ketma-ket ulangan alohida quyosh batareyalaridan yig'iladi.
Sanoat asosan 3 turdagi modullarni ishlab chiqaradi:
 Silikon monokristalli modullar
 Silikon polikristalli modullar.
 Amorf kremniyga asoslangan modullar.
Monokristalli hujayralar eng yuqori energiya konvertatsiya samaradorligiga ega. Asosiy material juda toza kremniy bo'lib, undan yarimo'tkazgich ishlab chiqarish sohasida yaxshi o'zlashtirilgan bir kristalli quyosh panellari ishlab chiqariladi.
Bir kristalli kremniyga asoslangan quyosh panelining samaradorligi 14-17% ni tashkil qiladi.
Polikristalli kremniy kristalli ichida hujayra samaradorligining yomonlashuviga olib keladigan don chegaralari bilan ajratilgan hududlar mavjud.
Polikristal kremniyga asoslangan quyosh panelining samaradorligi 10-12% ni tashkil qiladi.
Amorf kremniy plazma kimyoviy birikmasi yoki boshqa usullar bilan olinadi.
Ushbu texnologiya bir qator kamchiliklar va afzalliklarga ega:
 Amorf kremniy asosidagi quyosh panellarini ishlab chiqarish jarayoni nisbatan sodda va arzon;
 katta maydonli elementlarni ishlab chiqarish mumkin;
 Kam quvvat sarfi.
Biroq:
 konversiya samaradorligi kristalli elementlarga qaraganda ancha past;
 elementlar degradatsiya jarayoniga uchraydi.