Άσκηση 5 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ

Transcript

1 Άσκηση 5 ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ 1. ΓΕΝΙΚΑ Τα ηλιακά στοιχεία χρησιμοποιούνται για τη μετατροπή του φωτός (που αποτελεί μία μορφή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας) σε ηλεκτρική ενέργεια. Κατασκευάζονται από ημιαγώγιμα υλικά τα οποία μπορεί να είναι είτε μονοκρυσταλλικά, είτε πολυκρυσταλλικά, είτε άμορφα. Ανεξάρτητα από τη κρυσταλλική τους δομή, όλα τα ηλιακά στοιχεία εμπεριέχουν μία δίοδο ημιαγωγού κοντά στην επιφάνεια τους. Συνήθως η δίοδος αυτή παρέχεται από την επαφή ενός στρώματος τύπου-n με ένα στρώμα τύπου-p (δίοδος επαφής p-n), ή ακόμη και από την επαφή μεταξύ ενός ημιαγωγού και ενός κατάλληλα επιλεγόμενου μετάλλου (δίοδος Schottky). Πέρα από τη μορφή της εμπεριεχόμενης διόδου, τα ηλιακά στοιχεία βασίζουν τη λειτουργία τους στη δημιουργία ενός ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού το οποίο εκτείνεται σε όλο το πλάτος του στοιχείου που δέχεται την ηλιακή ακτινοβολία. Αυτό το φράγμα δυναμικού βρίσκεται κατανεμημένο σε μικρό βάθος από την επιφάνεια και τοποθετείται από την πλευρά από την οποία προσπίπτει το φώς. Κάθε φωτόνιο της προσπίπτουσας ακτινοβολίας με ενέργεια ίση ή μεγαλύτερη από το ενεργειακό διάκενο του ημιαγωγού, έχει τη δυνατότητα να απορροφηθεί σε ένα χημικό δεσμό και να δημιουργηθεί ένα ζεύγος ελεύθερων φορέων: δηλ. ένα ηλεκτρόνιο της ζώνης αγωγιμότητας και μία οπή στη ζώνη σθένους). Η αναγκαιότητα ύπαρξης του ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού πηγάζει από την απαίτηση για διαχωρισμό των θετικών και αρνητικών φορέων φορτίου και την συγκέντρωση τους πάνω στις δύο όψεις του ηλιακού στοιχείου, δηλ. την φωτιζόμενη και την πίσω όψη τους. Συγκεκριμένα, επειδή μερικά από τα ζεύγη των φορέων αυτών δημιουργούνται μέσα ή/και δίπλα από τη περιοχή του ηλεκτροστατικού φράγματος δυναμικού διαχωρίζονται προκειμένου να ελαχιστοποιήσουν την δυναμική τους ενέργεια. Για την κατανόηση του μηχανισμού μπορούμε να υποθέσουμε ότι τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν σφαίρες μάζας m e που κυλούν πάνω σε κεκλιμένο επίπεδο) ενώ οι οπές συμπεριφέρονται σαν φυσαλίδες (θέσεις στις οποίες απουσιάζει η μάζα ενός ηλεκτρονίου) που αιωρούνται μέσα σε ένα υγρό. Στο μοντέλο αυτό, το ηλεκτρόνιο (σφαίρα) ελαχιστοποιεί τη Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 1

2 δυναμική του ενέργεια κινούμενο προς τα κάτω, ενώ η οπή (φυσαλίδα) ελαχιστοποιεί τη δυναμική της ενέργεια κινούμενη προς τα άνω σε ένα διάγραμμα δυναμικής ενέργειας. Για παράδειγμα, σε μια δίοδο p-n τα ελεύθερα ηλεκτρόνια εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου n και οι οπές εκτρέπονται προς το τμήμα τύπου p, με αποτέλεσμα να συσσωρεύονται φορτία στις δύο αντικρινές επιφάνειες και να δημιουργείται μια διαφορά δυναμικού ανάμεσα στους ακροδέκτες των δύο τμημάτων του ηλιακού στοιχείου, για.όσο διάστημα υπάρχει η οπτική διέγερση. (Σχ.1). Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται φωτοβολταϊκό φαινόμενο. Σχήμα 1: Το ηλιακό στοιχείο που αποτελείται από την επαφή ημιαγωγού τύπου-n και τύπου-p. Το σχήμα παρουσιάζει το διάγραμμα της δυναμικής ενέργειας των ηλεκτρονίων σε συνάρτηση με το βάθος από την επιφάνεια. Στο ηλιακό στοιχείο προσπίπτει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με ενέργεια τιμής Ε= h.v>e g. Όπου Ε g = E cb E vt η τιμή του ενεργειακού διακένου, E cb = ο πυθμένας της ζώνης αγωγιμότητας και E vt = κορυφή ζώνης σθένους. Στην περιοχή (I), το δημιουργούμενο ζεύγος ηλεκτρονίου-οπής διαχωρίζεται από το ηλεκτροστατικό πεδίο. Στο σχήμα, τα ηλεκτρόνια (σφαίρες) κυλούν πάνω στον πυθμένα της ζώνης αγωγιμότητας και μεταφέρονται στην περιοχή τύπου-n. Κατ' αναλογία, οι οπές (φυσαλίδες) ολισθαίνουν μόλις κάτω από την κορυφή της ζώνης σθένους και μεταφέρονται προς την περιοχή τύπου-p για να ελαχιστοποιήσουν τη δυναμική τους ενέργεια. Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 2

3 Στις περιοχές (II), δεν διαχωρίζονται χωρικά οι παραγόμενοι φορείς οπότε, αφού ζήσουν τον χρόνο ζωής τους, επανασυνδέονται και χάνονται εκπέμποντας ένα φωτόνιο ενεργείας Ε = hv = E g. 2. ΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΩΝ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΪΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ. Η περιγραφή κάθε διάταξης και η κατανόηση της λειτουργίας της, μπορεί να γίνει μέσα από το ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα. Ένα απλοποιημένο ισοδύναμο κύκλωμα του φωτοβολταϊκού στοιχείου περιγράφεται στο σχήμα 2. Αποτελείται από μία πηγή ρεύματος, που ελέγχεται από μία δίοδο. Σχήμα 2: Το ισοδύναμο κύκλωμα ενός φωτιζόμενου ηλιακού στοιχείου. Εφαρμόζοντας τον νόμο ρευμάτων Kirchhoff στο σχήμα 2, προκύπτει ότι, ισχύει η σχέση Ι Φ = l L + ID όπου, Ι Φ είναι το φωτόρρευμα που είναι ανάλογο προς τα φωτόνια που απορροφά το ηλιακό στοιχείο, ID το ρεύμα που διαρρέει τον κλάδο της διόδου, και l L το ρεύμα που διαρρέει το εξωτερικό φορτίο. Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 3

4 Όπου l o = το ανάστροφο ρεύμα κόρου της διόδου e = το φορτίο του ηλεκτρονίου = 1,602x10-19 coulomb k = η σταθερά Boltzmann = 1,38x10-23 joules/kelvin Τ = η απόλυτη θερμοκρασία σε kelvin V L = η τάση που δημιουργείται στα άκρα της διόδου από την πρόσπτωση του φωτός Σε συνθήκες ανοικτού κυκλώματος (R L )βρίσκουμε ότι η τιμή της τάσης του στοιχείου (από την αγγλική έκφραση open-circuit voltage) θα είναι V oc : Στην άλλη ακραία περίπτωση, δηλαδή σε συνθήκες βραχυκύκλωσης ανάμεσα στις δύο όψεις του στοιχείου, το ρεύμα l sc (από την αγγλική έκφραση short-circuit current) θα ισούται με το παραγόμενο φωτόρρευμα: l sc= Ι Φ (3) Όταν όμως το κύκλωμα του φ/β στοιχείου κλείσει, διαμέσου μιας εξωτερικής αντίστασης R L (από την αγγλική έκφραση load resistance), το ρεύμα θα πάρει μία μικρότερη τιμή I L που βρίσκεται με τη λύση της εξίσωσης (1). Προφανώς θα υπάρχει κάποια τιμή της αντίστασης (δηλαδή του φορτίου του κυκλώματος) για την οποία η ισχύς που παράγει το φ/β στοιχείο θα γίνεται μέγιστη. P m =I m x V m Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 4

5 Σχήμα 3: Το διάγραμμα I-V ενός ηλιακού στοιχείου και τα κυριότερα ηλεκτρικά μεγέθη που το προσδιορίζουν. Το σημείο μέγιστης ισχύος αντιστοιχεί στη θέση λειτουργίας (τιμή αντίστασης φορτίου) που τι γινόμενο l m V m μεγιστοποιείται. Η αποδιδόμενη μέγιστη ισχύς αντιστοιχεί σχηματικά στη μεγιστοποίηση του γραμμοσκιασμένου εμβαδού, του παραλληλογράμμου. Οι τρεις παραπάνω παράμετροι, δηλαδή ο P m, l sc και V oc είναι από τους κυριότερους παραμέτρους αξιολόγησης της συμπεριφοράς και της λειτουργίας των φ/β στοιχείων και καθορίζουν την απόδοση τους. Ο συντελεστής απόδοσης n ορίζεται από το λόγο μεταξύ της μέγιστης αποδιδόμενης ηλεκτρικής ισχύος, προς την προσπίπτουσα φωτεινή ισχύ, ανά μονάδα επιφανείας. Συνεπώς δίδεται από τη σχέση: (6) Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 5

6 Όπου Η, η ένταση (πυκνότητα της ισχύος) της ακτινοβολίας που δέχεται όλη η επιφάνεια του ηλιακού (φ/β) στοιχείου, και Α = το εμβαδόν της επιφάνειας του ηλιακού (φ/β) στοιχείου. 3. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΜΕΡΟΣ: Θα σας δοθεί ένας οπτοηλεκτρικός μετατροπέας με τον οποίο θα καταγράψετε τις επικρατούσες συνθήκες φωτισμού. Θα σας δοθεί ένα φ/β σύστημα (πανέλλο) που έχει κατασκευασθεί από πολυκρυσταλλικό, πυρίτιο. Μετρήστε την τάση V oc και το ρεύμα l sc. Στη συνέχεια θα συνδέσετε το αμπερόμετρο, την αντίσταση φορτίου και το βολτόμετρο για να φτιάξετε το κύκλωμα του σχήματος 4. Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 6

7 Σχήμα 4: Συνδεσμολογία πανέλου για εύρεση της απόδοσης του. Μεταβάλετε την αντίσταση φορτίου ώστε η τάση του βολτομέτρου να μεταβάλλεται με βήμα 0.5 V και καταγράψτε την ένδειξη του αμπερομέτρου. (Σημ.H αντίσταση φορτίου που σας δίνεται μεταβάλλεται από 0 έως 10 ΚΩ.) Ζητούνται: Να σχεδιασθεί η χαρακτηριστική I-V του συγκεκριμένου φωτοβολταϊκού συστήματος για τις επικρατούσες συνθήκες φωτισμού. Από την προηγούμενη χαρακτηριστική I-V, υπολογίστε το ζεύγος I L -VL στο οποίο η ισχύς (δηλ. το γινόμενο τους) γίνεται μέγιστο. Με βάση τα αποτελέσματα να υπολογισθεί ο συντελεστής απόδοσης. Θα σας είναι χρήσιμο να γνωρίζετε την επιφάνεια των φωτοβολταϊκών στοιχείων που χρησιμοποιήσατε. Εργαστηριακή άσκηση: Φωτοβολταϊκό Φαινόμενο σελ. 7