9. Yarimo’tkazgichli quyosh elementining F.I.K.
Asosiy tushunchalar
Қуёш элементлари (ҚЭ) асосан ярим ўтказгичли (ЯЎ) материаллар асосида таерланади. Шунинг учун ҚЭ оптик ва фотоелектрик
хусусиятларини билиш ЯЎ материаллар тузилишини, уларнинг металлар ва диелектрик материаллардан фаркини ва ЯЎ материаллар учун бевосита асосий бўлган хусусиятларни ўрганишни тақозо этади.
ҚЭ тайёрлашда Қуёш нурланишининг ЯЎ материал билан ўзаро таъсири, фотонлар энергияси материалдаги электронларда ютилиши ва чиқиши жараёнлари муҳим аҳамиятга эгадир.
A photovoltaic cell must have two types of semiconductors in layers. (There is more information on semiconductors in the next section.) The n-type semiconductor is doped with a very small amount of an element containing an extra valence electron (such crystalline Si doped with As). The p-type semiconductor is doped with an element with one fewer valence electrons (such as crystalline Si doped with Ga).
When put together in a pn junction, an electric field forms at the junction that biases the flow of electrons and holes to opposite directions. This reduces electron-hole recombination.
Fotovoltaik element qatlamlarda ikki turdagi yarim o'tkazgichlarga ega bo'lishi kerak. (Keyingi bo'limda yarim o'tkazgichlar haqida ko'proq ma'lumot mavjud.) n-tipli yarim o'tkazgichga qo'shimcha valentlik elektroni bo'lgan juda oz miqdordagi element (bunday kristalli Si As bilan qo'shilgan) qo'shiladi. P-tipli yarimo'tkazgichga valentlik elektronlari kamroq bo'lgan element (masalan, Ga bilan biriktirilgan kristalli Si) qo'shiladi.
Pn o'tish joyiga yig'ilganda, ulanish joyida elektronlar va teshiklar oqimini qarama-qarshi yo'nalishga yo'naltiradigan elektr maydoni hosil bo'ladi. Bu elektron-teshik rekombinatsiyasini kamaytiradi.
Salt yurish kuchlanishi Usy tashqi elektr zanjirdan uzilgan elementning p- va n- sohalari orasidagi kuchlanishdir. Uning qiymati elementning elektrofizik parametrlari va quyosh elementi tayyorlangan materialning legirlanish darajasi bilan aniqlanadi:
(8)
Bu yerda IL –fototok, Iso- to’yinish toki.
Qisqa tutashuv toki Iqt fotoelementning p- va n- sohalarining metal kontaktlari orasidagi qisqa tutashuv vaqtidagi tokdir. Uning qiymati nafaqat qurilmaning elektrofizik parametrlari, balki uning yuzasiga ham bog’liq, shu sababli uning o’rniga qisqa tutashuv toki zichligidan foydalaniladi. U qisqa tutashuv tokining fotoelement yoritilayotgan yuzasiga nisbatiga teng.
Soddalashgan holda quyosh elementi yarimo’tkazgichli diod bo’lib, uning yoritilish volt-amper xarakteristikasi yoritilmagan p-n o’tish uchun mos ifodaning o’zgartirilgan shaklidan aniqlanadi.
(9)
Bu yerda, Rs – quyosh elementining ketma-ket qarshiligi, k- Boltsman doimiysi, Rp quyosh elementining shuntlash kuchlanishi.
Fotoelementning to’ldirish koeffitsienti FF- qurilmaning yorug’likdagi yuzasini Usyva Iqt tashkil qilgan to’g’ri to’rtburchak yuzasiga nisbatidan aniqlanuvchi koeffitsient.
(10)
Zamonaviy quyosh elementlarida uning qiymati 0.75-0.80 atrofida bo’ladi.
Quyosh elementining ko'ndalang kesimi.
1.7- rasm. QE ning tipik volt-amper xarakteristikasi.
Quyosh elementlarining asosiy xarakteristikasi hisoblangan volt-amper xarakteristika (VAX) va spektral sezgirlik yarimo‘tkazgich materiallarning optik va elektrofizik xususiyatlariga bog‘liqdir.
QE VAX p-n o‘tishli yarimo‘tkazgich diodning VAX idan yangi If handing paydo bo‘lishi bilan farq qiladi. If– optik nurlanish ta’sirida quyosh elementida generatsiya bo‘lgan tokdir. Agar Id – diod orqali oqayotgan tok va I – tashqi yuklanma orqali oqayotgan tok bo‘lsa, u holda,
If = Id + I va Id = Io(exp (qU/kT) – 1) (12)
Diodning qorong‘ulikdagi xarakteristikasi, Io– p-n o‘tishning teskari yo‘nalishdagi to‘yinish toki, q – electron zaryadi, T– mutloq harorat, k– Bolsman doimiysi, U – kuchlanish. Qarshiligi cheksiz bo‘lgan ochiq zanjir holi uchun, ya’ni I=0 da, yuqoridagi tenglamadan
Usy = ln(If/Io +1) kT/q (13)
kelib chiqadi.
QE VAX ning yorug‘lik va qorong‘ulikdagi xususiyatlarini aniqroq tahlil qilish mumkin.Odatda kuchlanish darajasiga qarab p-n o‘tishdan o‘tayotgan teskari to‘yinish tokining o‘tish mexanizmi o‘zgaradi. Bu tok odatda ikkita tokning yig‘indisidan iborat, ya’ni
I = Io1 [( qU/kT) - 1] + Io2 [( expqU/kT) - 1] – If (14)
Bu erda, Io1 – yupqa p-n o‘tish orqali diffuzion mexanizm vositasida oqayotgan tok, Io2-, esa A = 2 ga teng bo‘lgan hol uchun p-n o‘tish sohasida rekombinatsiya hodisasi uchun teskari to‘yinish toki.Quyosh elementlarining qorong‘ilik va yorug‘likda o‘lchangan VAX asosida uning ayrim parametrlarini aniqlash mumkin, bular jumlasiga Io, Rp, Rsh, A kiradi. Quyidagi keltirilgan AMO sharoit uchun tipik VAX va qorong‘ilikda olingan element VAX lari keltirilgan. Birinchi kvadratdagi yorug‘lik sharoitida olingan VAX ning bir qismi va uning to‘rtinchi kvadratdagi davomi to’g‘ri chiziqlidir. Bu to‘g‘ri chiziqning toklar o‘qiga qiyaligi QE ning ketma-ketlik qarshiligini belgilaydi.
Rp = ΔUr/Δir (15)
Bu yerda, ΔUr/Δir qiymatining Usy ga yaqin sohasidagi o‘zgarishi olinadi. Keltirilgan xarakteristikaning birinchi kvadratdagi qismi va uning ikkinchi kvadratdagi davomi to‘g‘ri chiziqdir. Uning kuchlanishlar o‘qiga og‘masi QE dagi shunt qarshiligi Rsh ni qiymatini belgilaydi, ya’ni
Rsh = ΔU nr/ ΔIpr (16)
Bu yerda ΔUnr va ΔIpr lar qiymatlari qisqa tutashuv toki Iqt ga yaqin sohadagi o‘zgarishi olinadi.
Yorug‘likda olingan VAX ning qisqa tutashuv toki Iqt atrofidagi to‘g‘ri chiziq qiyaligini o‘zgartirilishi qiyin, bo‘lganligi uchun, shunt qarshiligi Rsh qorong‘ilikda olingan VAX ning qiyaligidan aniqlanadi, ya’ni
Rsh = ΔUobr/ ΔIobr (17)
Qorong‘ilikda olingan xarakteristika yordamida teskari to‘yinish toki Io ni aniqlash mumkin. Quyosh elementlari p-n o‘tishi ish rejimida to‘g‘ri yo‘nalishda ulangan, bo‘ladi, ya’ni optik nurlanishi ta’siri natijasida muvozanatda bo‘lmagan zaryad tashuvchilarning p-n o‘tishga, ikkala tomondan hosil bo‘lishi, bu p-n o‘tishning to‘g‘ri yo‘nalishda ulanganligini, ko‘rsatadi. Shuning uchun, teskari to‘yinish toki Io va ideallanish koeffitsiyenti A ning to‘g‘ri yo‘nalishdagi qorong‘ilikda yoki yorug‘likda o‘lchangan VAX dan topish maqsadga muvofiqdir. Qorong‘ilikda olingan VAX ga taaluqli diod tenglamasini boshqacha ko‘rinishda quyidagicha yozish mumkin.
Ln (Id + Io) = ln Io + qU/AkT (18)
Bu tenglama hisob-kitob uchun tokning qiymati katta bo‘lgan Id>> Io sharoitda ishlatilishi va teskari to‘yinish toki rekombinatsion mexanizm asosida p-n o‘tishdan o‘tadigan holi uchun ishlatilishi mumkin. QE ning to‘g‘ri yo‘nalishda o‘lchangan VAX (katta tok va kuchlanishlar uchun) asosida ln Io = f(U) funksiyasini chizish mumkin. Bu tenglama qiyaligining tangensi q/AkT ga teng bo‘ladi. Uning ordinata o‘qida kesgan kesmasi ln Io ning qiymatini beradi.
QE real ishlashiga yaqin sharoitda Io va A ning qiymatini aniqlashning yana bir usuli mavjud. Buning uchun yorug‘lik oqimi zichligining hech bo‘lmaganda ikki xil qiymatida imitator yordamida QE ning VAX si o‘lchanadi. Ketma-ketlik qarshiligi Rn uchun kuchlanishlar pasayishi va p-n o‘tish sohasida rekombinatsiya bo‘lishi jarayoni uchun yuqoridagi tenglamani keltiramiz, ya’ni
I = Io[exp{q(U-IRp)/AkT} - 1] – If (19)
Salt yurish rejimida I = 0, U = Usy bo‘lgani uchun, Rp = 0 va u holda
If = Iqt deb olish mumkin. U holda
Lp (Iqt+ Io) = lnIo + qUsy/AkT (20)
Bu tenglamani qo‘llash uchun etalonli QE yordamida har bir yangi optik nurlanish oqimi zichligiga to‘g‘ri keladigan Iqt = f(E) tenglamaning chiziqli qiymatlari topiladi va undan Iqt va Usy aniqlanadi. Tangens burchagidan q/AkT ning qiymati topiladi va uning ordinata o‘qidan kesadigan kesmasidan ln Io ning qiymati aniqlanadi.
Quyosh elementlarining asosiy o‘lchanadigan parametri bu optik nurlanish tushish davomida yuklanma ulanganida o‘lchanadigan volt-amper xarakteristikasidir va uning yordamida keyin quyida keltirilgan parametrlar topiladi;
QE ishlab chiqarayotgan quvvat P = Uopt×Iopt hisoblash mumkin,
Salt yurish kuchlanishining o‘lchangan (Usy) qiymatiga asosan yarimo‘tkazgich material manqilingan sohasining tuzilmada ishlatish samaradorligini aniqlash mumkin,
Elementning qisqa tutashuv toki va to‘ldirish koeffitsienti (Iqt va FF ) asosida tuzilmadagi optik va fotoelektrik yo’qotishlar haqida ma’lumot olish mumkin,
|
