Лекция 4. Потери в фотоэлектрических преобразователях

1.

Лекция 4. Потери в фотоэлектрических
преобразователях

2.

Оптические и рекомбинационные потери
Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:
- отражением солнечного излучения от поверхности
преобразователя,
- затенение контактной сеткой;
- прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в
нём,
- рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной
энергии фотонов,
- рекомбинацией образовавшихся фотопар на поверхностях и в
объёме ФЭП,
- внутренним сопротивлением преобразователя,
- и некоторыми другими физическими процессами.

3.

Меры по уменьшению всех видов потерь энергии в ФЭП :
1.Просветляющие покрытия в виде тонких пленок. R уменьшается от >35 % для
непросветленной поверхности до lO % (однослойные покрытия);
2. Создание текстурированной фронтальной поверхности;
3.Использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной
запрещённой зоны;
4.Направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального
легирования и создания встроенных электрических полей;
5.Переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
6.Оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n-перехода, толщины
базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
7.Применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление,
терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
8.Разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем
основной полосы поглощения;
9.Создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны
полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через
предыдущий каскад, и пр.
10.Создание преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже
имеющемуся КПД одной стороны);
11.Применения люминесцентно переизлучающих структур;
12.Предварительное разложение солнечного спектра на две или более спектральные
области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал)
с
последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП

4.

Поглощение электромагнитного излучения
Закон Бугера-Ламберта-Бера:
Интенсивность излучения
на расстоянии х
a-1=la – длина абсорбции
Интенсивность
входящего пучка
«Прямые» и «непрямые» полупроводники
отличаются не только вероятностью поглощения
излучения с hv ≥ Eg.
Малое время жизни
Светодиоды и лазеры на GaAs и AlхGa1-хAs
Спектральная зависимость показателя поглощения
для кремния (1) и арсенида галлия (2), Т=300 К

5.

Модель СЭ с последовательным сопротивлением
Прямоугольная
полупроводниковая
пластина с планарным рnпереходом
Полосковый контакт
длиной l2,
толщина n-области – w
Факторы, влияющие на последовательное сопротивление:
- Слоевое сопротивление
- Сопротивление контактов
Rl
L
где L , L|| - размеры СЭ
wL||

6.

Обычно w<< L|| ,
L << L||
Пренебрежем контактными сопротивлениями,
продольным сопротивлением металлической
полоски и сопротивлением базы (p-области),
Схема замещения освещенного СЭ
с последовательным сопротивлением Rl
Напряжение холостого хода освещенного СЭ
с омическими потерями (I=0)
q
nkT

7.

Определение последовательного сопротивления
по экспериментальной ВАХ
F(U, I) I I ph I 0 exp (U IRl ) 1 0
dI
dU
I 0
F
F
U
I
I 0
I 0 exp( U )
1 I 0 Rl exp( U )
I 0 ~10-8A,
Rl ~0.02 Ом,
~30 В
I 0 Rl exp( U ) ~4 10
dI
dU
Темновая ВАХ и ВАХ при освещении для СЭ
с последовательным сопротивлением
I 0
-1
6
1
Rl
и U~1 B имеем

8.

Модель СЭ с распределенными
омическими потерями

9.

Пренебрежем
- контактными сопротивлениями,
-продольным сопротивлением металлической полоски и
--сопротивлением базы (p-области).
Cопротивление фронтального слоя считаем распределенным
Многозвенная схема замещения СЭ
с последовательными сопротивлениями потерь

10.

Система уравнений Кирхгофа:
u2 u1 ri1 ,
u3 u2 r (i1 i2 ),
u4 u3 r (i1 i2 i3 ),
.....................................
u N u N 1 r (i1 i2 ... iN 1 ),
U u N rI ,
N
I ik
k 1
Токи через частичные pn-переходы:
i ph I ph / N
i0 I 0 / N
ik i ph i0 exp uk 1
k = 1,..N

11.

I ph
I0
Rl
=1.6 A,
= 10-7 A,
=30.6 В-1,
=0.03 Ом

12.

Зависимость положения точки максимальной мощности
от числа участков N при
Iph=1.6 A, I0= 10-7 A, =30.6 В-1: черная Rl=0.03 Ом; красная Rl =0.06 Ом

13.

Модель СЭ с последовательным и параллельным сопротивлениями
ВАХ:
Дифференциальная проводимость:
Режим короткого замыкания

14.

Режим холостого хода
I 0 ~10-8A,
Rl ~0.02 Ом,
~30 В
I 0 Rl exp( U ) ~4 10
-1
и U~1 B имеем
6
Способ определения последовательного
сопротивления по экспериментальной ВАХ
Темновая ВАХ и ВАХ при освещении для СЭ
с последовательным сопротивлением

15.

Режим короткого замыкания
Способ определения параллельного
сопротивления по экспериментальной ВАХ

16.

Увеличение Rs
Эффективность ФЯ
Уменьшение Rp
Зависимость эффективности ФЯ от
ширины ЗЗ для видимого солнечного
спектра