Cercetarea Caracteristicii Celulelor Solare

3.1. Scopul lucrării: studierea metodelor de măsurare caracteristicii celulelor solare şi determinarea parametrilor de bază pentru celulele solare analizate.

3.2. Îndrumări metodice.

3.2.1. Noţiuni de bază.

Efectul fotovoltatic este procesul fizic prin care energia radiaţiei luminoase (fotonilor) este transformată direct în energia electrică. Evidenţierea acestui efect în semiconductori impune existenţa unei bariere de potenţial, deci a unui cîmp electric capabil să separe cele două tipuri de purtători de neechilibru, electroni şi goluri, fotogeneraţi prin acţiunea fotonilor. Deci, acest efect poate fi observat în joncţiunea p-n (homo sau hetero), la contactul metal-semiconductir, etc.

Prezenţa purtătorilor de sarcină fotogeneraţi, duce la micşorarea barierii interne de potenţial (fig.1), ceea ce facilitează transferul purtătorilor minoritari dintr-o parte în alta a joncţiunii p-n, astfel ca regiunea p se încarcă pozitiv, iar regiunea n - negativ (fig.1,c).

Această stare de neechilibru pentru purtătorii de sarcină durează atît timp, cît joncţiunea p-n se află sub influenţa radiaţiei luminoase şi este măsurabilă, în funcţie de conectarea într-un circuit extern a joncţiunii p-n, printr-o tensiune de aceeaşi polaritate cu cea directă în condiţii de circuit deschis (rezistenţa de sarcină mare) sau printr-un curent de scurtcircuit (rezistenţa de sarcină neglijabilă).

Curentul de scurt circuit prin joncţiunea p-n este dat într-o primă aproximaţie de relaţia:

Jsc=qgAf(Ln+Lp) (1)

unde Af este aria activă a joncţiunei p-n, Ln şi Lp sînt lungimile de difuzie ale purtătarilor minoritari, electroni respectiv goluri, iar g este rata de fotogenerare a purtătorilor minoritari. Acest curent va fi de sens opus curentului direct (de injecţie) prin joncţiunea p-n, deci de acelaşi sens cu curentul invers.

În condiţiile conectării la bornele joncţiunii p-n a unei rezistenţă de sarcină finite, tensiunea datorată fotogenerării purtătorilor ajunge la o valoare V (vezi fig.1c), iar fotocurentul prin aceasta rezistenţă de sarcină va fi mai mic decît curentul de scurt circuit datorită curentului de injecţie generat de trecerea purtătorilor de sarcină în sens invers (şi descris de ecuaţia diodei). Curentul prin joncţiunea p-n iluminată pentru orice valoare V a fototensiunei este dat de:

I=Jsc-Isexp(qV/kT)-1 (2)

În condiţii de circuit deschis (J=0, adică rezistenţa de sarcină infinită), relaţia (1) devine:

V=Vcd=kT/qln(JSC/Is+1) (3)

Observăm din (1) că valorea maximă a fotocurentului se obţine în condiţii de scurtcircuit (rezistenţa de sarcină externă nulă, V=0) şi anume:

I=Jsc

iar tensiunea maximă este Vcd (vezi fig.2).

O descriere mai completă a unei celule solare trebuie să aibă în vedere influienţele parazite care efectează funcţionarea, şi anume:

• rezistenţa serie datorată regiunelor p şi n precum şi contactelor, care duce la diferenţe între tensiunea la bornele unei celule solare şi tensiunea care cade pe joncţiunea p-n;

• rezistenţa şunt a joncţiunii p-n care influienţează curentul de scurgere al joncţiunii p-n (curentul de întuneric).

Schema echivalentă cel mai des folosită pentru celulele solare este prezentară în fig.3, unde Rs, Rsh şi RL sînt rezistenţele serie, şunt şi de sarcină, iar IL este un generator de curent care reprezintă curentul, datorat purtătorilor fotogeneraţi.

Din circuitul prezentat în fig.3, aplicînd legea lui Kirchhoff, se obţine caracteristica curent-tensiune a celulei solare:

I=Isexp-q(V-IRs)/kT)-1+(V-IRs)/Rsh-IL (4)

Curentul de scurtcircuit al celulei este de acelaşi ordin de mărime cu IL dacă Rsh este foarte mare, ce se întîmplă în majoritatea cazurilor de interes practic, adică:

Jsc=(IL/1+Rs/Rsh)Rsh,V=0=IL (5)

În fig.4 se prezintă influienţa rezistenţei serie respectiv rezistenţei şunt asupra caracteristicii curent-tensiune a celulelor solare. Se observă modalităţile diferite de influienţare a caracteristicii I-V prin Jsc în cazul rezistenţei serie şi prin Vcd în cazul rezistenţei şunt.

Rezistenţa şunt în celulele solare de interes practic este de regulă destul de mare şi se neglijează în condiţii de iluminare solară normală (1 soare, adică 100mW/cm2 la nivelul mării şi 140mW/cm2 în afara atmosferii terestre). La intensităţi mici ale radiaţiei solare şi într-o anumită măsură la temperaturi joase rezistenţa şunt poate influenţa funcţionarea celulei solare, iar la intensităţi mari şi temperaturi ridicate rezistenţa serie are influienţa vizibilă asupra caracteristicii celulelor solare.

solare analizate.

3.2. Îndrumări metodice.

3.2.1. Noţiuni de bază.

Efectul fotovoltatic este procesul fizic prin care energia radiaţiei luminoase (fotonilor) este transformată direct în energia electrică. Evidenţierea acestui efect în semiconductori impune existenţa unei bariere de potenţial, deci a unui cîmp electric capabil să separe cele două tipuri de purtători de neechilibru, electroni şi goluri, fotogeneraţi prin acţiunea fotonilor. Deci, acest efect poate fi observat în joncţiunea p-n (homo sau hetero), la contactul metal-semiconductir, etc.

Prezenţa purtătorilor de sarcină fotogeneraţi, duce la micşorarea barierii interne de potenţial (fig.1), ceea ce facilitează transferul purtătorilor minoritari dintr-o parte în alta a joncţiunii p-n, astfel ca regiunea p se încarcă pozitiv, iar regiunea n - negativ (fig.1,c).

Această stare de neechilibru pentru purtătorii de sarcină durează atît timp, cît joncţiunea p-n se află sub influenţa radiaţiei luminoase şi este măsurabilă, în funcţie de conectarea într-un circuit extern a joncţiunii p-n, printr-o tensiune de aceeaşi polaritate cu cea directă în condiţii de circuit deschis (rezistenţa de sarcină mare) sau printr-un curent de scurtcircuit (rezistenţa de sarcină neglijabilă).

Curentul de scurt circuit prin joncţiunea p-n este dat într-o primă aproximaţie de relaţia:

Jsc=qgAf(Ln+Lp) (1)

unde Af este aria activă a joncţiunei p-n, Ln şi Lp sînt lungimile de difuzie ale purtătarilor minoritari, electroni respectiv goluri, iar g este rata de fotogenerare a purtătorilor minoritari. Acest curent va fi de sens opus curentului direct (de injecţie) prin joncţiunea p-n, deci de acelaşi sens cu curentul invers.

În condiţiile conectării la bornele joncţiunii p-n a unei rezistenţă de sarcină finite, tensiunea datorată fotogenerării purtătorilor ajunge la o valoare V (vezi fig.1c), iar fotocurentul prin aceasta rezistenţă de sarcină va fi mai mic decît curentul de scurt circuit datorită curentului de injecţie generat de trecerea purtătorilor de sarcină în sens invers (şi descris de ecuaţia diodei). Curentul prin joncţiunea p-n iluminată pentru orice valoare V a fototensiunei este dat de:

I=Jsc-Isexp(qV/kT)-1 (2)

În condiţii de circuit deschis (J=0, adică rezistenţa de sarcină infinită), relaţia (1) devine:

V=Vcd=kT/qln(JSC/Is+1) (3)

Observăm din (1) că valorea maximă a fotocurentului se obţine în condiţii de scurtcircuit (rezistenţa de sarcină externă nulă, V=0) şi anume:

I=Jsc

iar tensiunea maximă este Vcd (vezi fig.2).

O descriere mai completă a unei celule solare trebuie să aibă în vedere influienţele parazite care efectează funcţionarea, şi anume:

• rezistenţa serie datorată regiunelor p şi n precum şi contactelor, care duce la diferenţe între tensiunea la bornele unei celule solare şi tensiunea care cade pe joncţiunea p-n;

• rezistenţa şunt a joncţiunii p-n care influienţează curentul de scurgere al joncţiunii p-n (curentul de întuneric).

Schema echivalentă cel mai des folosită pentru celulele solare este prezentară în fig.3, unde Rs, Rsh şi RL sînt rezistenţele serie, şunt şi de sarcină, iar IL este un generator de curent care reprezintă curentul, datorat purtătorilor fotogeneraţi.

Din circuitul prezentat în fig.3, aplicînd legea lui Kirchhoff, se obţine caracteristica curent-tensiune a celulei solare:

I=Isexp-q(V-IRs)/kT)-1+(V-IRs)/Rsh-IL (4)

Curentul de scurtcircuit al celulei este de acelaşi ordin de mărime cu IL dacă Rsh este foarte mare, ce se întîmplă în majoritatea cazurilor de interes practic, adică:

Jsc=(IL/1+Rs/Rsh)Rsh,V=0=IL (5)

În fig.4 se prezintă influienţa rezistenţei serie respectiv rezistenţei şunt asupra caracteristicii curent-tensiune a celulelor solare. Se observă modalităţile diferite de influienţare a caracteristicii I-V prin Jsc în cazul rezistenţei serie şi prin Vcd în cazul rezistenţei şunt.

Rezistenţa şunt în celulele solare de interes practic este de regulă destul de mare şi se neglijează în condiţii de iluminare solară normală (1 soare, adică 100mW/cm2 la nivelul mării şi 140mW/cm2 în afara atmosferii terestre). La intensităţi mici ale radiaţiei solare şi într-o anumită măsură la temperaturi joase rezistenţa şunt poate influenţa funcţionarea celulei solare, iar la intensităţi mari şi temperaturi ridicate rezistenţa serie are influienţa vizibilă asupra caracteristicii celulelor solare.