21 Badanie ogniw i baterii słonecznych

Transkrypt

1 BADANIE OGNIW I BATERII SŁONECZNYCH. 1. Budowa i zasada działania Ogniwo słoneczne jest to ogniwo fotowoltaiczne, w którym do wytwarzania prdu elektrycznego wykorzystuje si promieniowanie słoneczne. Wikszo ogniw słonecznych zawiera złcze p-n z monokrystalicznego krzemu. Gdy fotony wiatła słonecznego padaj na złcze półprzewodnikowe lub w jego pobliu, powstajce pary elektron-dziura pod wpływem pola elektrycznego przy złczu rozdzielaj si, tak e dziury przechodz do obszaru p, a elektrony do obszaru n rys. 1 [3, 4]. Rys. 1. Złcze p-n na diagramie energetycznym: (-) akceptory (elektrony), (+) donory (dziury), U D potencjał dyfuzyjny, E F energia poziomu Fermiego, e ładunek elektronu. To przemieszczanie si swobodnego ładunku wytwarza prd elektryczny, jeli do kontaktów wyjciowych urzdzenia jest podłczone obcienie rys. 2. Praktyczn realizacj ogniwa słonecznego na schemacie - pokazano na rys. 3. Rys. 2. Układ do pomiaru charakterystyki prdowo-napiciowej ogniwa słonecznego [1, 2]. L21-1

2 Rys. 3. Schemat konstrukcji ogniwa słonecznego [1, 2]. Uwagi dodatkowe: - jak dotd nie udało si wytworzy pojedynczych krzemowych ogniw słonecznych o powierzchni wikszej, ni 40 cm 2 ; - maksymalna moc dostarczana przez takie ogniwo w pełnym słocu wynosi w przyblieniu 0.6 V, przy napiciu 0.5 V; - sprawno tych urzdze wynosi około 15%. Z tych te powodów ogniwa słoneczne stosowane do celów praktycznych musz by połczone w baterie; - płyty z ogniwami słonecznymi były do niedawna wyłcznymi ródłami energii dla satelitów i pojazdów kosmicznych; - stosowanie baterii słonecznych w warunkach ziemskich jest znacznie ograniczone z powodu wysokiej ceny. Aktualnie maj one zastosowanie jako ródła zasilania urzdze zwizanych z bezpieczestwem ruchu drogowego, tzn. słu do podwietlania znaków drogowych czy prdkociomierzy radarowych i to w miejscach znacznie odległych od stacjonarnej sieci elektrycznej. 2. Badania eksperymentalne W prezentowanym wiczeniu naley: - okreli natenie wiatła za pomoc stosu termoparowego w zalenoci od odległoci od ródła wiatła; - zmierzy wartoci prdu zwarcia i SEM ogniwa przy rónych odległociach od ródła wiatła; - wyznaczy zaleno prdu zwarcia i SEM ogniwa w zalenoci od jego temperatury; - wyznaczy charakterystyk napiciowo-prdow ogniwa przy rónych nateniach wiatła; - wyznaczy charakterystyk napiciowo-prdow ogniwa w zalenoci od warunków jego pracy: a) podczas chłodzenia aparatury wentylatorkiem i bez chłodzenia; b) podczas ekranowania i bez ekranowania ródła wiatła przez szyb szklan; - okreli charakterystyk układu podczas owietlania go przez wiatło słoneczne. 3. Stanowisko badawcze - wyposaenie Wyposaenie stanowiska badawczego [1, 2]: - ogniwo słoneczne: 4 cele, cm - 1 szt.; - stos termoparowy 1 szt.; - szklany termometr laboratoryjny rtciowy: 9-)10 (+)100 o C 1 szt., - wzmacniacz pomiarowy 1 szt.; L21-2

3 - opornica: 330, 1 A 1 szt.; - arówka z reflektorem: 230 V, 120 W 1 szt.; - multimetr cyfrowy 2 szt.; - wentylator z grzałk 1 szt.; - liniał ze skal: mm 1 szt.; - statywy laboratoryjne 4 szt.; - przewody elektryczne. Widok stanowiska pomiarowego do wyznaczania charakterystyk ogniwa słonecznego firmy Phywe (Niemcy) pokazano na rys. 4. Rys. 4. Stanowisko dowiadczalne do wyznaczania charakterystyk ogniwa słonecznego [1, 2]. Układ i uwarunkowania pomiarowe: 1. pomiar natenia wiatła za pomoc stosu termoparowego i wzmacniacza oraz wyposaenia zestawu pomiarowego przy rónych odległociach od ródła wiatła (uwaga: maksymalne napicie wyjciowe wzmacniacza wynosi 10 V): a) apertura wejciowa stosu termoparowego (powierzchnia zewntrzna płytki grafitowej) wyznacza jego pozycj w stosunku do ródła wiatła; b) odległo midzy arówk a stosem termoparowym powinna wynosi przynajmniej 50 cm, bo apertura stosu wynosi tylko 20 o ; c) ogniwo słoneczne rejestruje zarówno natenie wiatła rozproszonego, jak i wiatła docierajcego do niego bezporednio z arówki; d) poniewa arówka wysyła wski stoek wiatła, tzn. w przyblieniu 30 o, to wiatło rozproszone powstaje głównie jako wynik odbicia od powierzchni stołu i moe by w duym stopniu skompensowane poprzez czarn wykładzin powierzchni stołu albo pokrycie stołu kawałkiem czarnego kartonu; 2. napicie na zaciskach otwartego ogniwa - SEM i prd zwarciowy ogniwa słonecznego s zalene od temperatury. Dlatego przy zdejmowaniu charakterystyk ogniwa słonecznego jest ono utrzymywane w temperaturze pokojowej za pomoc wentylatora; 3. aby zademonstrowa efekt temperaturowy, naley nawiewa gorce powietrze z suszarki na ogniwo słoneczne, mierzc termometrem temperatur jego powierzchni; 4. nie naley dotyka ogniwa słonecznego, gdy jego cienka p - warstwa moe zosta łatwo uszkodzona; 5. jeeli odległo midzy lamp a ogniwem przekracza 50 cm, to przyrost temperatury spowodowanej przez promieniowanie mona nie bra pod uwag. Wpływ ten jest mały w porównaniu z wpływem gorcego powietrza. L21-3

4 Pomiar SEM i prdu zwarcia: 1. moliwy jest równie pomiar charakterystyk ogniwa przy wykorzystaniu promieniowania słonecznego. W tym przypadku naley bra pod uwag zarówno promieniowanie docierajce do ogniwa wprost, jak i promieniowanie rozproszone; 2. stos termoparowy stosuje si ponownie do okrelenia zalenoci midzy prdem zwarcia i nateniem wiatła, chocia z powodu małej wartoci ktowej apertury, rejestruje on tylko natenie wiatła docierajce wprost; 3. dlatego w celach porównawczych naley umieci przed ogniwem rurk z czarnego kartonu o długoci około 20 cm, by ekranowa je przed promieniowaniem rozproszonym; 4. wane jest równie, by zarówno osie ogniwa, jak i stosu termoparowego były wycelowane na Słoce. Teoria i oszacowania: 1. czysty krzem jest celowo domieszkowany (mona to uzna za rodzaj zanieczyszczenia) trzy i piciowartociowymi atomami domieszkujcymi, aby otrzyma półprzewodnik typu n lub p; 2. jeeli połczy si ze sob kryształy typu p i n, to otrzymamy złcze p-n rys. 1 i 3, którego właciwoci elektryczne okrelaj wydajno ogniwa słonecznego; 3. w stanie równowagi, tzn. bez napicia zewntrznego, energia poziomu Fermiego E f bdzie zawsze taka sama, poniewa elektrony dyfunduj do obszaru p, a dziury do obszaru n, co jest spowodowane rónic koncentracji elektronów i dziur w obszarach p i n; 4. nieruchome atomy domieszkujce tworz ładunek przestrzenny ograniczajcy zakres prdowy, prd dyfuzji i zakres pola odchyłek midzy nimi w stanie równowagi; 5. potencjał dyfuzyjny U D w złczu p-n jest zaleny od iloci domieszek i odpowiada pierwotnej rónicy pomidzy energiami poziomów Fermiego oddzielnie dla obszarów p i n. Rónica energetyczna midzy pasmem walencyjnym i przewodnictwa dla krzemu w temperaturze pokojowej wynosi [1 4]: E = 1.1 ev. Dla krzemu potencjał dyfuzyjny wynosi [1 4]: U D = 0.5 do 0.7 V. 6. jeeli wiatło pada na złcze p-n, wtedy fotony tworz pary elektron-dziura oddzielone przez ładunek przestrzenny. Elektrony s przecignite do obszaru n, a dziury do obszaru p; 7. fotony s nie tylko absorbowane w złczu p-n, ale równie w warstwie p ponad nim. Generowane elektrony s mniejszociowymi nonikami w tych obszarach, ich koncentracja jest znaczco zredukowana przez rekombinacj i wydajno tego procesu. Dlatego warstwa p o gruboci t musi by cienka w stosunku do redniej drogi swobodnej L E elektronów w niej, aby mogły one wej w warstw n: L E >> t ; 8. jeeli g jest liczb par elektron-dziura wytwarzanych na jednostk powierzchni, a do załcza p-n jest przyłoone napicie U, wtedy gsto strumienia elektronów i dziur wynosi: eu n D t p D kt o e o h i = e e + e g Le L 1, (1) 2 h gdzie e jest elementarnym ładunkiem, k jest stał Boltzmanna, T jest temperatur, L jest redni drog swobodn odpowiednio elektronów i dziur, D jest stał dyfuzji odpowiednio dla elektronów i dziur, a p o i n o s koncentracjami mniejszociowych noników w stanie równowagi. Zatem gsto prdu zwarcia (U=0): i s = e g (2) jest proporcjonalna do natenia padajcego wiatła w stałej temperaturze. Parametr g staje si nieco wikszy (mniej, ni 10-4 K -1 ), jeeli ronie temperatura; L21-4

5 9. napicie U moe co najwyej osign warto potencjału dyfuzyjnego U D, nigdy wiksze. Jeeli ronie temperatura, wtedy SEM spada, przy czym typow wartoci jest 2.3 mv/k. Zatem równowagowe koncentracje p o i n o rosn wraz ze wzrostem temperatury [1 4]: E 2kT no e. Wnioski: 1. natenie wiatła zmienia si wraz ze zmian odległoci midzy ródłem wiatła i ogniwem słonecznym. Aby okreli natenie wiatła za pomoc stosu termoparowego przyjto, e cała wizka o aperturze wyjciowej 2.5 cm pada na powierzchni pomiarow stosu o czułoci 0.16 mv/mw. Poprzez ekstrapolacj lini prost zalenoci J(s) rys. 5, okrelamy warto natenia wiatła J w odległoci s 50 cm. Rys. 5. Zaleno natenia wiatła J (W/m 2 ) od odległoci s (cm) prostopadle do ródła wiatła, tzn. J(s) [1]. 2. przyjmujc za podstaw zmierzone wartoci J(s) rys. 5, otrzymujemy zaleno midzy nateniem wiatła J, a prdem zwarcia I s i SEM U o dla rónych odległoci od ródła wiatła rys. 6. L21-5

6 Rys. 6. Prd zwarcia I s i napicie na zaciskach otwartego ogniwa U o w funkcji natenia ródła wiatła J [1]. 3. bateria słoneczna, która zawiera 4 ogniwa połczone szeregowo ma zatem maksymaln warto SEM równ 2 V. Prd zwarcia jest proporcjonalny do natenia wiatła i wynosi: 4 2 I s = J; A/(Wm ). Kiedy mierzymy wpływ temperatury na U o i I s, naley bra pod uwag rozkład temperatury nad gorc powierzchni baterii słonecznej. Pomiar mona przeprowadzi tylko zgrubnie, oceniajc jedynie rzd jej wielkoci. Pomiar SEM w przypadku gorcego i zimnego powietrza daje zaleno (dla 4 ogniw): U o = 8 mv/k. T Zatem dla pojedynczego ogniowa otrzymujemy warto (-)2 mv/k. Wpływ zmian temperatury na prd zwarcia nie był mierzony. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej przy rónych wartociach natenia wiatła pokazano na rys 7. L21-6

7 Rys. 7. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej przy rónych wartociach natenia wiatła [1]. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej: a) przy chłodzeniu baterii wentylatorem; b) bez chłodzenia powierzchni baterii wentylatorem; c) przy ekranowaniu powierzchni baterii płyt szklan pokazano na rys. 8. Maksymalna moc wyjciowa baterii słonecznej wystpuje w punkcie (zaznaczone na rys. 7 przerywan lini), w którym opornik obcienia ma t sam warto, co oporno wewntrzna R i baterii słonecznej. Oporno wewntrzna baterii spada wraz ze wzrostem natenia wiatła. Jeeli porównamy maksymaln moc wyjciow baterii z moc padajcego na ni promieniowania, otrzymujemy sprawno baterii słonecznej równ około 6% (z powierzchni baterii równej 50 cm 2 ). 4. płyta szklana, która absorbuje wiatło w podczerwieni, moe by uyta do zwikszenia temperatury baterii słonecznej. Na rys. 8 pokazano wpływ rónych warunków na prac baterii słonecznej. L21-7

8 Rys. 8. Charakterystyki prdowo-napiciowe baterii słonecznej: a) przy chłodzeniu baterii wentylatorem; b) bez chłodzenia powierzchni baterii wentylatorem; c) przy ekranowaniu powierzchni baterii płyt szklan [1]. 5. padajce na komórki baterii wiatło słoneczne daje róne od wiatła arówki charakterystyki prdowo-napiciowe. Powodem s róne charakterystyki widmowe ródeł wiatła rys. 9. oraz charakterystyka czułoci spektralnej krzemowego ogniwa słonecznego [1, 2]. Przy tym samym nateniu wiatła, wiatło słoneczne daje prd zwarcia o wyszej wartoci, co reguluje zaleno: Rys. 9. Widmo promieniowania Słoca ( T 5800 K ) i arówki ( T 2000 K ) 4 2 I s = J; A/(Wm ). Poniewa zakres podczerwieni w widmie wiatła słonecznego jest krótszy, wic bateria słoneczna nie nagrzewa si tak bardzo i wobec tego pomiary z i bez chłodzenia baterii daj takie same charakterystyki dla tego samego ródła rys. 10. L21-8

9 Rys. 10. Charakterystyka prdowo-napiciowa przy ekspozycji baterii słonecznej na wiatło słoneczne (promieniowanie bezporednie i rozproszone): P max maksymalna moc, η -sprawno baterii [1]. Literatura: [1] Phywe: Characteristic curves of a solar cell, LEP [2] Phywe, Physics: Catalogue 3.22, page [3] J. Terpiłowski: Ogniwa i baterie słoneczne, 2009, Instrukcja Laboratorium Termodynamiki WAT (instrukcja wewntrzna, materiał niepublikowany) [4] Ch. Kittel: Wstp do fizyki ciała stałego, Ksigarnia Internetowa PWN, 1996 L21-9