Лабораторная работа №43 Исследование источника тока на основе солнечной батареи

Цель работы: изучение принципа работы источника тока на базе солнечной батареи и измерение его характеристик.

Оборудование: источник излучения- макет солнечной батареи, вольтметр, амперметр, источник питания измерительной схемы.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Солнечная батарея - совокупность вентильных фотоэлементов, предназначенных для преобразования световой энергии в электрическую. Конструктивно солнечная батарея выполняется в виде плоской панели, заключенной в защитный корпус и набираемой из фотоэлементов, соединенных между собой с помощью внешних шин или непосредственного контакта. Действие таких фотоэлементов основано на вентильном фотоэффекте - возникновении ЭДС в системе, содержащей контакт двух разных полупроводников или полупроводника и металла, при поглощении квантов излучения оптического диапазона. Практически фотоэлемент представляет собой пластинку полупроводника, в которой создан р-п переход, заключенную в корпус с окошком для прохождения излучения. В корпус вмонтированы две токовые клеммы, соединенные с электродами р- и п-областей перехода. При освещении р-п перехода возникает фотоэдс, в определенных пределах пропорциональная интенсивности излучения Ф, причем дырочный электрод приобретает положительный потенциал. Замыкание электродов на внешнюю нагрузку R_Н приводит к появлению в цепи освещаемого фотоэлемента фототока I, величина которого при данном Ф зависит от величины R_Н. Эти фотоэлементы работают без внешнего источника напряжения, являясь прямыми преобразователями энергии излучения в электрическую энергию.

Н а рис.1 приведена типичная геометрия солнечного элемента на базе пластины кремния. Лицевой контакт выполнен в виде сетки, контактные полоски которой в зависимости от удельного сопротивления и толщины п-слоя разделены зазором от 0.03 до 0.3см и соединены общим токосъемом. Контактная сетка и общий токосъем занимают от 5 до 10% общей площади элемента.

• Рис.1. Типичная геометрия кремниевого солнечного элемента:

• a/ сечение, b/ вид сверху.

1 - лицевой сетчатый токосъемный контакт (Ti + Pd + Ag).

2 - просветляющее покрытие (SiO , Si₃N_{4 ,} Al₂O , Ta₂O₅).

3 - легированный слой п-типа толщиной 0.2мкм.

4 - слой объемного заряда толщиной 0.5мкм.

5 - база р-типа толщиной 200мкм.

6 - р⁺ слой толщиной 0.5мкм /для снижения контактного сопротивления/.

7 - тыльный контакт (Al).

8 - токосъемная шина.

9 - сетчатый токосъем.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ФОТОПРИЕМНИКОВ

Фотоприемники являются приборами, реагирующими на поток излучения. Эта реакция описывается рядом характеристик и параметров, оговариваемых техническими условиями и стандартами.

Спектральная характеристика определяет реакцию фотоприемника на воздействие излучения с различной длиной волны. Она определяет спектральную область применения фотоприемника, а также его спектральную и интегральную чувствительности.

Энергетическая (световая) характеристика отражает зависимость фотоответа от интенсивности возбуждающего потока излучения.

Температурный коэффициент фототока - отношение процентного изменения фототока к вызвавшему его абсолютному изменению температуры окружающей среды при заданной освещенности.

Основной параметр солнечного элемента и батареи - световая нагрузочная вольт-амперная характеристика (ВАХ) - позволяет определить генерируемую ими электрическую мощность по произведению IU, оценить полноту использования потенциала запрещенной зоны по напряжению холостого хода, получить представление об уровне оптических и фотоэлектрических потерь по току короткого замыкания и коэффициенту заполнения ВАХ, рассчитать коэффициент полезного действия (КПД) преобразования солнечной энергии в электрическую по отношению мощности, генерируемой элементами и батареями, к мощности падающего солнечного излучения, которую можно измерить с помощью отградуированного эталонного солнечного элемента.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Создание фотоЭДС в полупроводниковом фотоэлементе связано с нарушением равновесного распределения имеющихся в нем носителей заряда - электронов и дырок - за счет генерации избыточных носителей при поглощении света. Процессом, обратным генерации, является процесс рекомбинации. За счет рекомбинации полупроводник вновь приходит в равновесное состояние, когда освещение прекращается. Согласно зонной модели создание свободных электрона и дырки означает, что какой-либо из электронов валентной зоны переводится в зону проводимости. Для осуществления этого процесса необходимо затратить энергию не меньшую, чем ширина запрещенной зоны E_g. При генерации носителей светом эта энергия доставляется поглощенным квантом света - фотоном. Энергия фотона связана с его частотой соотношением E=2 =h [эВ]. Отсюда следует, что генерация электронно-дырочных пар возможна лишь при частоте света , большей, чем критическая частота _о, равная _о=E_g/2 . Эта частота соответствует краю поглощения света. Поскольку длина волны света связана с его частотой соотношением =С/ , то краю поглощения соответствует длина волны _о=2 С/E_g .

Отношение числа созданных светом пар к числу поглощенных фотонов называют квантовым выходом. При частоте, меньшей _о , квантовый выход равен нулю. Для частот больше _о он практически равен единице.

Если интенсивность монохроматического света (света одной длины волны), падающего на единицу поверхности р-п перехода, равна W_o , то, разделив эту величину на энергию одного фотона, можно оценить число фотонов, падающих на единицу поверхности в единицу времени g_o=W_o /2 C. Величину g_o называют функцией генерации носителей.

Возникновение электродвижущей силы при поглощении квантов света в полупроводнике, содержащем р-п переход (вентильный фотоэффект) может быть объяснено следующим образом. В отсутствие освещения р-п переход представляет потенциальный барьер, высота которого определяется в основном концентрацией носителей заряда в р- и п-областях. При этом токи электронов из р-области в п-область I_-p и в обратном направлении I_-n равны:

I_-p=I_-n=I_{n s .} То же справедливо и для токов дырок: I_+n=I_+p=I_{p s}. Полный ток через р-п переход равен нулю: - I_{- n}+I_{+ n}+I_{- p}-I_{+ p}=0. Падающий свет создает пары электрон -дырка. Если переход отстоит от места возникновения пар на расстоянии меньшем длины диффузионного смещения, то эти пары благодаря диффузии будут подходить к р-п переходу и там под действием его поля разделяться. Электроны преимущественно перейдут в электронную часть, а дырки - в дырочную часть р-п перехода. Это приводит к снижению потенциального барьера и, следовательно, к увеличению потока основных носителей заряда через р-п переход. Если освещение длится достаточное время, то устанавливается стационарное состояние, при котором между р- и п-областями возникает разность потенциалов , а полный ток через р-п переход равен нулю:

I_F -I_{- n}+I_{+ n}+I _-p-I_{+ p}=0 (1)

Здесь I _F - фототок неосновных носителей заряда через р-п переход. Токи неосновных носителей заряда I_{+ n} и I _{- p} остаются теми же, что до освещения, т.е. I _{+ n}=I_{p s} и I _-p=I_{n s} , а токи основных носителей в результате изменения высоты потенциального барьера изменяются и становятся равными: I _-n=I_{n s}exp(q/kT) и I_{+ p}=I_ps exp(q/kT). Поэтому уравнение (1) приобретает вид

I_F - I_S[exp(q/kT) - 1]=0 (2) ,

где I_S=I_{n s}+I_{p s}.Таким образом, в освещенном р-п переходе возникает ЭДС  , величина которой может быть выражена из уравнения (2):

=kTln[(I_F /I_S)+ 1]/q (3)

Если освещаемый р-п переход замкнут на омическую нагрузку R _н , то через нагрузку протекает ток I=/R_н=I_F -I_S[exp(q/kT) - 1]. (4)

Это выражение может быть трансформировано для оценки величины :

=kT{ln[(I_F- I)/I_S]+1}/q (5)

Выражение (4) является общим уравнением фотодиода, работающего в режиме вентильного фотоэлемента. Фототок I_F равен сумме тока через внешнее сопротивление нагрузки I=/R _н и тока утечки через запорный слой I_УТ=I_S[exp(q/kT) - 1]: I_F =I+I_УТ .

При малых внешних сопротивлениях (режим короткого замыкания ) II_УТ и, следовательно, I I_F . При больших R_Н (режим фотоЭДС) I_УТ I_F .

Если кроме сопротивления R_н внешняя цепь содержит последовательно включенный источник напряжения, включенный в запирающем направлении - “+” к п-области фотоэлемента (фотодиодный режим), то ток во внешней цепи определится выражением I=( - V)/R , а основное уравнение запишется в виде: I_F - I_S[exp(qU/kT)- 1=( -V)/R (6).

Величина напряжения на переходе U будет являться результатом совместного воздействия светового потока Ф и внешнего напряжения V.

Рис.2. Эквивалентная схема фотоэлемента

Приведенной в (4) вольт-амперной характеристике фотоэлемента с р-п переходом отвечает эквивалентная схема на рис.2. Действие света в этой схеме учтено введением источника, дающего ток I_F. Параллельно генератору тока включен нефотоактивный р-п переход, ток через который равен I_S[exp(q/kT) -1]. Р-п переход шунтирует нагрузку R_н, и при увеличении напряжения ток через него быстро растет. В нагрузку отбирается токI.

Ток I_F может быть выражен через функцию собирания носителей:

I_F = Sq(j_{p F} - j_{n F} )= Sqg₀Q (7)

Безразмерный множитель Q меньше единицы и называется коэффициентом собирания. Он показывает какая доля всех создаваемых светом пар Sg₀ собирается р-п переходом.

Р ис.3 Семейство вольт-амперных характеристик фотодиода

На рис.3 представлено семейство вольт-амперных характеристик фотодиода. Кривая, проходящая через начало координат, отвечает I_F =0, т.е. отсутствию освещения. Это темновая характеристика фотоэлемента. С ростом освещенности кривые смещаются вниз. Точкам, лежащим левее оси токов, отвечают запирающие напряжения на р-п переходе; правее оси токов - пропускные напряжения. Токи, проходящие через р-п переход в запирающем направлении, отложены вниз от оси напряжений, пропускные - вверх. При наличии освещения р-п перехода появляется участок характеристики, расположенный в правом нижнем квадранте. На этом участке р-п переход ведет себя как источник тока, а внешняя цепь как нагрузочное сопротивление. Разные точки характеристики в пределах этого квадранта отвечают разным величинам сопротивления нагрузки. Точка характеристики, лежащая на оси напряжений, соответствует разомкнутой внешней цепи (R_н= ) и определяет напряжение холостого хода U_хх элемента. Точка, лежащая на оси токов, отвечает короткому замыканию I_кз (R_н=0).

При солнечном освещении на уровне Земли (освещение АМ 1 -см. Приложение), когда интенсивность солнечного потока равна 1000 Вт/м², плотность тока короткого замыкания кремниевых фотоэлементов, практически равная плотности фототока, достигает значений 27 - 33 мА/см². При заатмосферном солнечном освещении (освещение АМ 0), когда интенсивность солнечного потока повышается до 1400 Вт/м², плотность тока короткого замыкания равна 32 - 40 мА/см². Следует обратить внимание на непропорциональное увеличение плотности тока короткого замыкания с ростом интенсивности излучения. Это связано с тем , что ослабленная атмосферой солнечная радиация по своему спектральному составу оказывается более подходящей для работы фотоэлемента, чем заатмосферная. В результате уменьшение тока короткого замыкания на уровне Земли оказывается меньше, чем можно было бы ожидать, исходя из изменения интенсивности потока излучения.

Если аппроксимировать состав солнечного излучения формулой (12) /см.Приложение/, то теоретически максимальное значение тока короткого замыкания определяется выражением:

i_F =q d , из которой при =2,17*10^-5, Т_С=5800К и 2 ₀=1,1 эВ следует, что

i_F =52.4 мА/см². Отношение истинного значения фототока к его максимальному значению можно назвать КПД фотоэлемента по току. Очевидно, он лежит в пределах 0,6 - 0,8. Напряжение холостого хода при температуре 25^ОС оказывается равным 0.35 - 0.58В. Обычно фотоэлементам с большим напряжением соответствует несколько меньший ток короткого замыкания и наоборот.

* Рис.4. Нагрузочный участок вольт-амперной характеристики фотоэлемента

На рис.4 приведена нагрузочная часть вольт-амперной характеристики фотоэлемента, работающего как преобразователь энергии излучения в электрическую энергию, соответствующая значениям j_F =30мА/см², U_ХХ=0,55В, А=2 и r_S=1 Ом см². Если освещенный фотоэлемент замкнут на сопротивление R_Н , то в цепи установится ток I , величина которого определяется качеством фотоэлемента, величиной освещенности и величиной нагрузки. Мощность, выделяющаяся на нагрузке, определяется произведением UI, которое на рис.4 представляется площадью заштрихованного прямоугольника. Очевидно, что эта величина при неизменной освещенности является функцией сопротивления R_Н , и при некотором оптимальном R_Н на нем выделится наибольшее количество энергии (точка А на кривой). Эта оптимальная нагрузка соответствует наибольшему КПД преобразования световой энергии в электрическую. Очевидно также, что максимально возможная мощность будет тем больше, чем больше I _КЗ и U_ХХ , и чем ближе форма нагрузочной кривой к прямоугольнику. Можно записать P_MAX=аU_ХХI_КЗ =U_MAXI_MAX. Здесь “а” - коэффициент формы ВАХ (коэффициент заполнения). Чем ближе нагрузочная характеристика по форме к прямому углу, тем значение “а” ближе к единице. Значение “а” зависит от последовательного сопротивления фотоэлемента и обратного тока и обычно составляет 0,7 - 0,8.

Коэффициент полезного действия (КПД) определяется отношением максимальной мощности электротока, который можно получить от фотоэлемента, к мощности падающего излучения. Снижение КПД обусловлено как внешними потерями (в основном, потери на отражение падающего света), так и внутренними, в том числе обусловленными наличием последовательного сопротивления фотоэлемента R_ , а также шунтирующего сопротивления R_ш ,отражающего возможные поверхностные и объемные утечки тока по сопротивлению, параллельному р-п переходу. Экспериментально установлено, что уменьшение шунтирующего сопротивления от бесконечно большого до столь малого, как R_ш=100 Ом, сравнительно слабо влияет на форму вольт-амперной характеристики и, следовательно, на выходную мощность солнечного элемента. В то же время небольшое изменение последовательного сопротивления, например от 1 Ома до 5 Ом, приводит к резкому ухудшению формы ВАХ и значительному снижению выходной мощности. Экспериментально установлено, что ВАХ кремниевых фотоэлементов достаточно хорошо описывается уравнением

U= ln[(I_F -I)/I_S + 1] - R_ I (8)

где R_ - последовательное сопротивление фотоэлемента, обусловленное сопротивлением толщи материала и сопротивлением контактов, а коэффициент А =1 для узких р-п переходов и А =2 для широких. Последовательное сопротивление фотоэлемента без указания его площади не характеризует качества прибора, т.к. при оптимальной контактной сетке сопротивление обратно пропорционально площади S. При оптимальной контактной сетке это произведение лежит в пределах 1-2 Ом*см² .

КПД реального фотоэлемента достигает лишь немного более половины того значения, которое служит теоретическим пределом для КПД (для кремния 25%).

Потери энергии падающего излучения, обусловленные отражением света поверхностью элемента, существенно снижают КПД последнего. Поскольку в используемом спектральном диапазоне ( от 0.35 до 1.1мкм ) коэффициент отражения чистого кремния принимает значения 33  54%, нанося на поверхность фотоэлемента различные просветляющие покрытия, снижающие коэффициент отражения, можно улучшить оптические характеристики и тем самым повысить КПД (см. Приложение). Для получения нулевого отражения в интервале длин волн используются многослойные просветляющие покрытия. Для кремниевого фотоэлемента отражается 5-8% фотонов.

Другая причина потерь света - поглощение фотонов свободными носителями. Относительное число фотонов, поглощенных без генерации пар в переднем слое, в случае кремниевого элемента может достигать 6 - 8%. Для уменьшения потерь на поглощение следует делать передний слой достаточно тонким. Опыт показывает, что при w=0,5мкм потерями света за счет поглощения можно пренебречь.

Если учесть все потери света, то оказывается, что в генерации носителей принимают участие лишь 80 - 85% фотонов. Эти фотоны создают электронно-дырочные пары, но из-за процессов рекомбинации не все созданные носители собираются р-п переходом. Коэффициент собирания падает как при освещении фотоэлемента светом очень коротких длин волн, так и при использовании длин волн, близких к краю поглощения. Уменьшение Q по мере увеличения длин волн обусловлено уменьшением коэффициента поглощения, генерация пар происходит все дальше от р-п перехода, и поэтому носители рекомбинируют в базе, не успев до него добраться. На коротких длинах волн коэффициент поглощения велик, и генерация имеет место у самой поверхности фотоэлемента. Из-за рекомбинации в переднем слое и на поверхности коэффициент собирания снова падает.

Вольт-амперная характеристика фотоэлементов и отдаваемая ими мощность зависят от температуры, при которой они работают. Из выражения для ВАХ видно, что выходное напряжение зависит от температуры не только явно, но и через величины I_F и I_S. Фототок I_F слабо зависит от Т : I_F =qQ_ng₀S (см.(7)), где Q_n - интегральный коэффициент собирания, а g₀S - число поглощаемых в единицу времени фотонов. Коэффициент собирания в основном зависит от диффузионной длины неосновных носителей, т.е. от . Коэффициент диффузии D пропорционален корню квадратному из температуры, а время жизни  либо не зависит от нее, либо слабо растет с увеличением температуры. Таким образом, диффузионная длина с ростом температуры увеличивается, что приводит к небольшому увеличению Q_n . Увеличение температуры сказывается и на коэффициенте поглощения света, т.к. при этом несколько уменьшается ширина запрещенной зоны. Однако этот эффект очень мал. Наиболее сильной зависимостью от температуры отличается ток насыщения из-за экспоненциальной зависимости концентрации носителей от температуры:

n_i  exp(-E_g/kT). Если продифференцировать выражение (4) по Т, то получим формулу, которая, при условии пренебрежения температурной зависимостью I_F по сравнению с I_S, приводит к следующей зависимости для температурного коэффициента напряжения:

= - = - 0 (т.к. E_g всегда больше qU ), т.е. повышение температуры сопровождается снижением напряжения. Рабочее напряжение кремниевого фотоэлемента имеет значение 450 -500 мВ, и поэтому температурный коэффициент оказывается порядка (- 1,5мВ/К).

ОПИСАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

*Рис.5. Схема измерительной установки

Схема для измерения  , I_F и I_S изображена на рис.5. Она содержит приборы для измерения тока I (В7-21) и напряжения V (В7-35); стабилизированный источник напряжения (ТЕС 1300К), позволяющий провести измерения вольт-амперных характеристик солнечной батареи; переключатель П₁, позволяющий в положении "ВКЛ" включать источник напряжения в измерительную цепь, а в положении "ВЫКЛ"- проводить исследование нагрузочной характеристики солнечной батареи; переключатель П₂ , позволяющий изменять полярность внешнего напряжения, приложенного к солнечной батарее (в положении "+" положительная клемма источника напряжения подключается к базовой области солнечной батареи); нагрузочное сопротивление R _H , позволяющее снять нагрузочную характеристику солнечной батареи; переключатель П₃ , позволяющий в положении "ВАХ" снять вольт-амперные характеристики, а в положении V_ХХ - измерить напряжение холостого хода U_ХХ ; выключатель П₄, позволяющий исключить сопротивление прибора В7-21 при измерении напряжения холостого хода (выключатель замкнут - положение "А выкл").

При исследовании ВАХ напряжение, приложенное в запирающем направлении, подбирается достаточным, чтобы ток в цепи солнечной батареи соответствовал области насыщения, т.е. чтобы член exp(q/kT) в (4) стал пренебрежимо мал по сравнению с единицей. При этом ток во внешней цепи при отсутствии освещения равен I_S, а при освещении I_S+I_F . Следовательно, построив ВАХ, можно определить как I_S, так и I_F. Практически для определения I_S и I_F в каждом случае снимаются вольт-амперные характеристики диода в области малых напряжений в темноте и при освещении, и значения I_S и I_S + I_F определяются экстраполяцией участка, соответствующего насыщению, до значения U=0.

Часть световой характеристики, расположенной в 4 квадранте, и ее продолжение в 1 квадранте представляют собой прямую линию, наклон которой к оси токов характеризует последовательное сопротивление солнечного элемента: R_=U_ПР.СВ./I_ПР.СВ. , где U_ПР.СВ. и I_ПР.СВ. измеряются в области, близкой к U_ХХ. Наклон обратной ветви темновой ВАХ (3 квадрант) к оси напряжений характеризует собой шунтирующее сопротивление солнечного элемента: R_Ш=U_{ОБР.ТЕМ.}/I_{ОБР.ТЕМ.}.

Нагрузочные характеристики образцов солнечных элементов могут быть получены в результате измерений фототока и фотонапряжения при варьировании сопротивления нагрузки от минимального - режим короткого замыкания, до максимального - режим холостого хода. В ряде случаев, в частности, при исследовании мощных солнечных элементов, входное сопротивление измерителя тока не дает возможности реализовать режим тока короткого замыкания. Достичь режима короткого замыкания можно благодаря включению последовательно с измерителем тока дополнительного источника напряжения, компенсирующего падение напряжения на входном сопротивлении измерителя тока.

При измерениях рабочая сторона СЭ ориентируется перпендикулярно направлению падения излучения. В качестве источника излучения (имитатора солнечного излучения) используется галогенная лампа 220В-500Вт. Расстояние от плоскости расположения источника излучения до поверхности СЭ устанавливается в соответствии с требуемым уровнем освещенности солнечной батареи. Нестабильность потока излучения в течение времени проведения измерения не должна превышать 2%. С учетом этого нестабильность выходного напряжения источника питания имитатора при изменении напряжения питающей сети на 10% в течение времени проведения измерений должна быть не более 0,5%. Положению 10 на штативе, где закреплен источник излучения, соответствует освещенность солнечной батареи 7350лк, что отвечает усредненной по спектру энегетической освещенности (см.Приложение) 167Вт/м²; положению 9 - освещенность 8700лк (218Вт/м² ), 8 - 10500лк (263Вт/м²), 7 - 13050лк (326Вт/м²), 6 - 16950лк (424Вт/м²), 5 - 22500лк (563Вт/м²), 4 - 29300лк (733Вт/м²), 3 - 40500лк (1013Вт/м²), 2 - 54300лк (1358Вт/м²).

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.

Ток короткого замыкания измеряется прибором класса не ниже 1. Освещенность контролируется люксметром с погрешностью 10%. Напряжение холостого хода измеряется прибором класса не ниже 0.1. В качестве светофильтра, отсекающего инфракрасный участок спектра излучения имитатора, может быть использована кассета из оргстекла с толщиной дна 0.005м, наполненная проточной водой на высоту 0.04м. Температура рабочего столика контролируется датчиком.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Перед началом работы, руководствуясь функциональной схемой установки, определить назначение каждого элемента и устройства.

Измерение вольт-амперной характеристики.

Собрать схему для измерения ВАХ. При этом базовую область солнечной батареи (красный провод) и положительную клемму измерителя напряжения подключить к клемме "+" пульта, а верхнюю сетку (белый провод) и отрицательную клемму измерителя напряжения - к клемме "-" пульта. Измерительные приборы подключить в соответствии с полярностью, указанной на клеммах пульта. Для исследования темновых ВАХ солнечную батарею защитить от света. Переключатель П₁ пульта установить в положение "ВЫКЛ". В этом положении исключена возможность подачи внешнего напряжения в измерительную схему. Установить на источнике питания регулятор напряжения V "ФИНО" (шлиц под отвертку) и "ГРУБО" (рукоятка) в положение “МИН” (против часовой стрелки), а I "ГРУБО" в положение "МАКС". Установить рукоятки нагрузочного сопротивления в положение 0. Включить измерительные приборы и блок питания на прогрев.

Установить переключатель П₂ в положение "+", переключатель П₃ в положение “ВАХ”, переключатель П₄ в положение "А вкл". Установить на приборе В7-21, который используется для измерения тока, переключатель в положение "100мА". Подать питание на измерительную схему, установив переключатель П₁ в положение "ВКЛ", и снять положительную ветвь вольт-амперной характеристики солнечной батареи в отсутствие светового потока. Для этого с помощью регулировки V "ФИНО" увеличивать напряжение питания с шагом 100mV, фиксируя при этом значение величины тока через солнечную батарею. Исчерпав возможности регулировки напряжения питания с помощью V"ФИНО" (400mV), возвратить эту регулировку в левое крайнее положение и очень медленно с помощью рукоятки V"ГРУБО" установить напряжение питания, близкое к последнему значению, полученному с помощью плавной регулировки. Далее , увеличивая напряжение с помощью регулировки V"ФИНО", продолжать снимать прямую ветвь темновой вольт-амперной характеристики до U=3V, после чего вернуть обе регулировки V в положение "МИН".

Установить переключатель П₂ в положение "-", установить на приборе В7-21, который используется для измерения тока, переключатель в положение "10мА", после чего аналогичным путем снять обратную ветвь темновой вольт-амперной характеристики солнечной батареи до U=-3.5В, после чего вернуть обе регулировки V в положение "МИН" и установить переключатель П₁ в положение "ВЫКЛ".

Измерение световых вольт-амперных характеристик.

Начальные установки: держатель источника излучения в положении 10, переключатель П₁ в положении "ВЫКЛ", переключатель П₃ в положении V_ХХ, рукоятки нагрузочного сопротивления в положении "0", переключатель П₄ в положении "А выкл".

Подать питание на источник излучения. Зарегистрировать показания U, отвечающие V_ХХ.

Установить переключатель П₂ в положение "-", переключатель П₃ в положение "ВАХ", переключатель П4 в положение "А вкл", переключатель П₁ - в положение "ВКЛ". При этом к солнечной батарее будет прикладываться внешнее напряжение полярности обратной по отношению к фотоЭДС. По мере увеличения этого внешнего напряжения показания прибора U будут уменьшаться, оставаясь до некоторого момента больше 0, а показания прибора I будут расти, оставаясь меньше 0. Оперируя регулировками V"ФИНО" и "ГРУБО" как при измерении темновой ВАХ, уменьшая U до 0, получаем значение I_КЗ. Продолжая увеличивать напряжение питания, получаем участок ВАХ, расположенный в 3 квадранте (U0, I0), измерения проводить до U_MAX =-2V. Вернуть регулировки V в положение "МИН". Увеличивая R_Н от 0.1 до 6000 Ом , получить недостающие значения для ВАХ в  квадранте .

Установить переключатель П₂ в положение "+". Оперируя регулировками V "ФИНО" и "ГРУБО", увеличиваем U до 3.5В с шагом 100мВ, получаем значения тока в  квадранте (I>0). Вернуть рукоятки U на блоке питания в положение "МИН", поставить переключатель П₁ в положение "ВЫКЛ".

Построить вольт -амперные характеристики и получить значения I_S и I_S+I_F путем экстраполяции участка ВАХ ,соответствующего току насыщения, снятого в темноте и при освещении, до значения V=0. Оценить значения последовательного R_ и шунтирующего R_Ш сопротивлений.

Измерение нагрузочной характеристики

При выключенном источнике питания измерительной схемы установить переключатель П₁ в положение "ВЫКЛ", переключатель П₃ в положение "ВАХ", переключатель П₄ в положение "А вкл", рукоятки нагрузочного сопротивления в положении "0". Подать питание на источник излучения. При этом прибор В7-21 регистрирует величину тока короткого замыкания I_XX ( I<0). Изменяя величину R_Н от 0 до 6000 Ом таким образом, чтобы измеряемое прибором В7-35 напряжение изменялось с шагом 100мВ, фиксируем значения I и U для построения нагрузочной характеристики СБ. /В качестве нагрузочной характеристики можно использовать участок световой ВАХ в 4 квадранте/. Затем методом последовательных приближений с использованием значений I_S и I_F ,полученных ранее при измерении ВАХ, и формул (10) и (11) определить I=I_MAX , затем V=V_MAX и P_MAX=I_MAXV_MAX . Ток нагрузки, при котором выходная мощность максимальна, удовлетворяет уравнению:

dP/dI=d(IU)/dI= [I ln( +1)]= [ln( +1) - (I/I_F)/{[(I_F - I)/I_S]+1}]=0 (9)

Это уравнение можно записать следующим образом:

I/I_S=[(I_F /I_S)+1]/{1+(1/ln [(I_F /I_S) - (I/I_S)+1])} (10)

Это последнее уравнение можно решать последовательными приближениями, принимая в нулевом приближении I=0 в правой части. Тогда:

I/I_S=[(I_F /I_S)+1]/{1+(1/ln [(I_F /I_S)+1])} (I_F /I_S)/{1+(1/ln[I_F /I_S])}; (11)

Подставив в это уравнение полученные из эксперимента значения I_F и I_S , получаем значение I=I_MAX. Используя полученное значение I_MAX вместо I в правой части уравнения (10), уточняем значение тока нагрузки I’_MAX , отвечающее максимальной выходной мощности.

Задача определения максимальной мощности может быть решена путем расчета площадей прямоугольника для нескольких значений тока в области перегиба ВАХ (см.рис.4) и выбора из них наибольшей.

Значение коэффициента заполнения нагрузочной характеристики определяется по формуле а=P_MAX/I_КЗV_ХХ. Снять нагрузочную характеристику и провести расчет коэффициента заполнения для одного из значений светового потока по указанию преподавателя.

Измерение статической токовой чувствительности

Как следует из (7) , величина фототока пропорциональна интенсивности светового потока. Поэтому для измерения статической токовой чувствительности S_Iст следует определить величину тока короткого замыкания для одного уровня освещенности, а затем вычислить S_Iст по формуле S_Iст =I_F /Ф, где Ф - поток излучения в Вт, а I_F - фототок в А.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Представление о вентильном фотоэффекте в р-п переходе.

2. Характеристики полупроводниковых фотоприемников.

3. Нагрузочная характеристика вентильного фотоэлемента.

4. Влияние температуры на параметры вентильного фотоэлемента.

ЛИТЕРАТУРА

1. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измерения фотоэлектрических параметров и определения характеристик. ГОСТ 17772-88.

2. Приемники излучения фотоэлектрические. Номенклатура показателей. ГОСТ 4.431-86.

3. Прилади напівпровідникові фотоелектричні. ДСТУ 2683-94.

4. Васильев А.М., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М. "Сов. Радио", 1971.

5. Рывкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.,Физматгиз,1963.

6. Анисимова И.Д., Викулин И.М., Заитов Ф.А., Курмашев Ш.Д. Полупроводниковые фотоприемники. М., Радио и связь, 1984.

7. Полупроводниковые преобразователи энергии излучений (Сб.статей) .М., Иностранная литература, 1959.

8. Колтун М.М. Оптика и метрология солнечных элементов. М., Наука,1985.

9. Фаренбрух А., Бьюб Р. Солнечные элементы: теория и эксперимент. Пер. с англ.. Под ред. М.М. Колтуна. М., Энергоатомиздат, 1987.

1. Приборы полупроводниковые. Приемники лучистой энергии фотоэлектрические. Классификация и система обозначений . ГОСТ 17704-72

1. Приемники излучения полупроводниковые фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Термины и определения. ГОСТ 21934-83.

ПРИЛОЖЕНИЕ