Φωηνβνιηαϊθό Σηνηρείν

Transcript

1 Φωηνβνιηαϊθό Σηνηρείν 1. θνπόο θνπόο ηεο άζθεζεο είλαη λα εμνηθεησζνύλ νη ζπνπδαζηέο κε ηηο βαζηθέο έλλνηεο πνπ αθνξνύλ ζηε θπζηθή ησλ εκηαγσγώλ θαη ηδηαίηεξα ηεο επαθήο p-n, λα πάξνπλ κεηξήζεηο θαη λα ραξάμνπλ ηε ραξαθηεξηζηηθή θακπύιε ελόο θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ θαη ηέινο λα ππνινγίζνπλ ηελ απόδνζή ηνπ ζην ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηνπ. 2. Γεληθά Σν θσηνβνιηατθό ζηνηρείν είλαη κία δηάηαμε εκηαγσγώλ ε νπνία κεηαηξέπεη ηελ θσηεηλή ελέξγεηα πνπ πξνζπίπηεη ζε απηήλ ζε ειεθηξηθή. Όηαλ απηή θσηηζηεί κε θσηόληα θαηάιιειεο ζπρλόηεηαο εκθαλίδεη ζηα άθξα ηεο κηα κηθξή δηαθνξά δπλακηθνύ. πλδένληαο κηα ζεηξά από θσηνβνιηατθά ζηνηρεία κπνξνύκε λα δεκηνπξγήζνπκε θσηνβνιηατθά πιαίζηα θαηάιιειεο ηζρύνο πνπ κπνξνύλ λα ρξεζηκνπνηεζνύλ γηα ηελ ιεηηνπξγία ζπζθεπώλ (π.ρ. ηειέθσλα, ππνινγηζηέο ηζέπεο θιπ) ελώ κεγάιεο ζπζηνηρίεο θσηνβνιηαηθώλ κπνξνύλ λα θαιύςνπλ νηθηαθέο ή βηνκεραληθέο αλάγθεο. Δπίζεο είλαη δπλαηή ε ρξήζε ηνπο σο δνκηθά πιηθά παξέρνληαο ηελ δπλαηόηεηα γηα πνηθίινπο αξρηηεθηνληθνύο ζρεδηαζκνύο αληηθαζηζηώληαο άιια παξαδνζηαθά πιηθά (π.ρ. θεξακνζθεπέο ή παινζηάζηα ζε πξνζόςεηο). 3. ύληνκν ζεσξεηηθό κέξνο Σα πιηθά, αλάινγα κε ηηο ειεθηξηθέο ηνπο ηδηόηεηεο, κπνξνύλ λα ρσξηζηνύλ ζε ηξεηο θαηεγνξίεο: αγσγνύο, κνλσηέο θαη εκηαγσγνύο. Θα πξνζπαζήζνπκε λα θαηαιάβνπκε γηαηί θάπνηα πιηθά είλαη θαινί αγσγνί ηνπ ειεθηξηθνύ ξεύκαηνο, όπσο ηα κέηαιια, θάπνηα άιια ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ κνλσηέο ελώ άιια εκθαλίδνπλ κία ελδηάκεζε ζπκπεξηθνξά, δειαδή ππό θάπνηεο ζπλζήθεο άγνπλ ξεύκα ελώ ππό θάπνηεο άιιεο ζπκπεξηθέξνληαη ζαλ κνλσηέο θαη γηα ηνλ ιόγν απηό ηα πιηθά απηά νλνκάδνληαη εκηαγωγνί. Σα παξαπάλσ κπνξνύλ λα εξκελεπζνύλ κε ηελ ηάζε ησλ αηόκσλ λα ελώλνληαη κεηαμύ ηνπο θαη λα ζρεκαηίδνπλ κόξηα θαη απηό νθείιεηαη ζην όηη θάζε άηνκν ηείλεη λα απνθηήζεη νθηώ ειεθηξόληα ζηελ εμωηεξηθή ηνπ ζηνηβάδα. Αο ζεσξήζνπκε έλαλ ηνληηθό θξύζηαιιν όπσο ην NaCl. Σν Cl έρεη επηά ειεθηξόληα ζηελ εμσηεξηθή ζηνηβάδα ελώ ην Na έρεη έλα ζηελ εμσηεξηθή ελώ ε παξαθάησ ζηνηβάδα είλαη ζπκπιεξσκέλε κε νθηώ ειεθηξόληα. Έηζη ινηπόλ ην Na δίλεη ην έλα ειεθηξόλην ζην Cl θαη έρνπλ θαη ηα δύν άηνκα κε ηνλ ηξόπν απηό ζπκπιεξσκέλεο ηηο εμσηεξηθέο ηνπο ζηνηβάδεο κε νθηώ ειεθηξόληα. Γελ ππάξρνπλ ραιαξά ζπλδεδεκέλα Π.Μουστάνης Σελίδα 30

2 επηπιένλ ειεθηξόληα γηα λα θηλεζνύλ ζηνλ θξύζηαιιν θαη έηζη ην NaCl ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ κνλσηήο. ε έλα κέηαιιν ηα εμσηεξηθά ειεθηξόληα ησλ αηόκσλ είλαη ραιαξά ζπλδεδεκέλα θαη νη εμσηεξηθέο ζηνηβάδεο έρνπλ ην πνιύ ηξία ειεθηξόληα ελώ ε ακέζσο επόκελε ζηνηβάδα έρεη νθηώ ειεθηξόληα. Έηζη ηα ειεθηξόληα ησλ εμσηεξηθώλ ζηνηβάδσλ θεύγνπλ από ηα άηνκα θαη θηλνύληαη ειεύζεξα ζε όινλ ηνλ θξύζηαιιν ζπλεηζθέξνληαο κε ηνλ ηξόπν απηό ζηελ αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ. Τπάξρεη επίζεο θαη έλα ηξίην είδνο δεζκνύ (νκνηνπνιηθόο) πνπ εκθαλίδνπλ νη θξύζηαιινη ησλ εκηαγσγώλ όπσο ην Si (Silicon: Ππξίηην) θαη ην Ge (Germanium: Γεξκάλην). ε έλαλ ηέηνηνλ θξύζηαιιν ην θάζε άηνκν έρεη ηέζζεξα ειεθηξόληα ζηελ εμσηεξηθή ηνπ ζηνηβάδα θαη πεξηβάιιεηαη από ηέζζεξα άηνκα (ηνπ ίδηνπ ζηνηρείνπ). Σώξα ην θάζε άηνκν κνηξάδεηαη ηα ηέζζεξα απηά ειεθηξόληα κε ηα ηέζζεξα γεηηνληθά ηνπ άηνκα, όπσο θαίλεηαη θαη ζην ζρήκα 1. Σρήκα 1 απηήλ ηελ δηαδηθαζία δελ έρεη ζεκαζία λα ξωηήζεη θαλείο ζε πνην άηνκν αλήθεη έλα ζπγθεθξηκέλν ειεθηξόλην ηνπ δεζκνύ: αλήθνπλ ηαπηόρξνλα θαη ζηα δύν άηνκα. Όπσο θαη ζηελ πξώηε πεξίπησζε ηνπ NaCl δελ ππάξρνπλ ειεύζεξα ειεθηξόληα ζηνλ θξύζηαιιν θαη απηόο ζπκπεξηθέξεηαη ζαλ κνλσηήο. Όκσο απηό πνπ πεξηγξάςακε πξηλ είλαη κία ηδαληθή θαηάζηαζε ζην απόιπην κεδέλ. ηελ πξαγκαηηθόηεηα ηα ειεθηξόληα απηά πνπ ζπκκεηέρνπλ ζηνπο δεζκνύο ρξεηάδνληαη πνιύ ιίγε ελέξγεηα γηα λα μεθύγνπλ από απηνύο θαη λα ζπλεηζθέξνπλ κε ηνλ ηξόπν απηό ζηελ ειεθηξηθή αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ. Απηή ε ελέξγεηα κπνξεί λα ηνπο πξνζθεξζεί είηε ζεξκηθά, είηε κε απνξξόθεζε αθηηλνβνιίαο είηε ηέινο από έλα εθαξκνδόκελν εμσηεξηθό πεδίν. Παξαπάλσ πεξηγξάςακε έλαλ θαζαξό, όπσο ιέκε εκηαγσγό. Γηα λα απμήζνπκε ηελ αγσγηκόηεηα ελόο εκηαγσγνύ πξέπεη πξνθαλώο λα απμήζνπκε ηνλ αξηζκό ησλ ειεθηξνλίσλ πνπ ζπλεηζθέξνπλ ζηελ αγσγηκόηεηα. Απηό κπνξεί λα γίλεη, εθηόο από ηελ αύμεζε ηεο ζεξκνθξαζίαο ή ηελ απνξξόθεζε αθηηλνβνιίαο, κε έλαλ άιινλ ηξόπν κεγάιεο ζπνπδαηόηεηαο ζηηο εθαξκνγέο: κε ηελ εηζαγσγή πξνζκίμεσλ ζηνλ εκηαγσγό. 3.1 Ηκηαγωγνί πξνζκίμεωλ Τπάξρνπλ δύν ηύπνη εκηαγσγώλ πξνζκίμεσλ. Οη εκηαγσγνί ηύπνπ n θαη ηύπνπ p. Έζησ όηη αληηθαζηζηνύκε κεξηθά άηνκα Ge ην νπνίν όπσο είδακε είλαη ηεξαζζελέο (ηέζζεξα ειεθηξόληα ζηελ εμσηεξηθή ζηνηβάδα) κε άηνκα As(Αξζεληθνύ) πνπ είλαη Π.Μουστάνης Σελίδα 31

3 πεληαζζελέο (πέληε ειεθηξόληα ζηελ εμσηεξηθή ζηνηβάδα). Σα ηέζζεξα ειεθηξόληα ζζέλνπο ηνπ As ζπκκεηέρνπλ ζηνπο δεζκνύο ελώ ην πέκπην είλαη εληειώο πεξηηηό θαη κπνξεί λα θηλείηαη ειεύζεξα ζηνλ θξύζηαιιν απμάλνληαο κε ηνλ ηξόπν απηόλ ηελ αγσγηκόηεηα ηνπ πιηθνύ. Απηόο ν εκηαγσγόο ιέγεηαη εκηαγωγόο ηύπνπ n. Σρήκα 2 Αλ αληηθαηαζηήζνπκε ηώξα θάπνηα άηνκα Ge κε άηνκα ελόο ηξηζζελνύο ζηνηρείνπ όπσο ην Ga (Γάιιην) ην νπνίν έρεη ηξία ειεθηξόληα ζηε εμσηεξηθή ζηνηβάδα ηόηε γηα λα ζρεκαηίζεη δεζκνύο κε ηα ηέζζεξα γεηηνληθά ηνπ άηνκα ζα πξέπεη λα δαλεηζηεί άιιν έλα ειεθηξόλην, πξνθεηκέλνπ λα έρεη νθηώ, από έλα άιιν άηνκν Si. Tόηε όκσο ην ειεθηξόλην απηό θεύγνληαο από ηε ζέζε ηνπ αθήλεη πίζσ ηνπ κία θελή ζέζε, όπσο ιέγεηαη νπή, ηελ νπνία ζα πάεη λα ζπκπιήξώζεη έλα άιιν ειεθηξόλην αθήλνληαο θαη απηό κε ηελ ζεηξά ηνπ κία νπή θαη πάεη ιέγνληαο. Βιέπνπκε ινηπόλ όηη ε νπή θηλείηαη αληίζεηα από ηα ειεθηξόληα, ζαλ έλα ζσκαηίδην κε ζεηηθό θνξηίν. Έρνπκε δεκηνπξγήζεη κε ηνλ ηξόπν απηόλ έλαλ θξύζηαιιν κε ειιείςεηο ειεθηξνλίσλ δειαδή νπέο θαη νλνκάδεηαη εκηαγωγόο ηύπνπ-p. Σρήκα 3 Π.Μουστάνης Σελίδα 32

4 Πξνθαλώο θαη εδώ ην ξεύκα νθείιεηαη ζηελ θίλεζε ησλ ειεθηξνλίσλ αιιά είλαη ζαθώο πην εύθνιν αληί λα κειεηήζνπκε ηε θίλεζε όισλ ησλ ειεθηξνλίσλ λα κειεηήζνπκε ηελ θίλεζε ησλ νπώλ. 3.2 Η επαθή p-n Μία ζεκαληηθόηαηε, από ηερλνινγηθή άπνςε, δηάηαμε, ιόγσ ηεο πιεζώξαο εθαξκνγώλ πνπ βξίζθεη, είλαη ε επαθή p-n. Απηή πξνθύπηεη αλ θέξνπκε ζε επαθή έλαλ εκηαγσγό ηύπνπ p κε έλαλ εκηαγσγό ηύπνπ n. Σόηε ηα ειεθηξόληα ηνπ εκηαγσγνύ n επεηδή έρνπλ κεγάιε ζπγθέληξσζε δηαρένληαη πξνο ηνλ εκηαγσγό p εμνπδεηεξώλνληαο ηηο νπέο θνληά ζηελ επαθή κε απνηέιεζκα ε πεξηνρή απηή ηνπ εκηαγσγνύ p λα θνξηηζηεί αξλεηηθά. Σαπηόρξνλα νπέο από ηνλ εκηαγσγό p δηαρένληαη πξνο ηνλ εκηαγσγό n εμνπδεηεξώλνληαο ειεθηξόληα κε απνηέιεζκα ε πεξηνρή ηνπ εκηαγσγνύ n πνπ βξίζθεηαη θνληά ζηελ επαθή λα θνξηηζηεί ζεηηθά. Σν ζηξώκα, ζηελ ελδνεπηθάλεηα, πνπ απνηειείηαη από ηηο δύν αληίζεηα θνξηηζκέλεο πεξηνρέο νλνκάδεηαη ζηξώκα απνγύκλωζεο (ιέγεηαη έηζη επεηδή νη νπέο θαη ηα ειεθηξόληα έρνπλ εμνπδεηεξσζεί θαη δελ ππάξρνπλ πηα ειεύζεξα θνξηία ζην ζηξώκα απηό). Η δηαδηθαζία απηή δελ ζπλερίδεηαη επ άπεηξνλ αιιά θάπνηα ζηηγκή ζηακαηάεη θαζώο αλαπηύζζεηαη ζην ζηξώκα απνγύκλσζεο έλα ειεθηξηθό πεδίν κε θνξά από ηελ πεξηνρή n ζηελ πεξηνρή p ην νπνίν αληηηίζεηαη ζηελ πεξαηηέξσ δηάρπζε ειεθηξνλίσλ θαη νπώλ (όπσο ζην ζρήκα 4). Σρήκα 4 Όηαλ εθαξκόζνπκε ζηα άθξα ηεο επαθήο κηα δηαθνξά δπλακηθνύ V κε ην κεγαιύηεξν δπλακηθό ζην άθξν p θαη ην ρακειόηεξν ζην άθξν n ηόηε ιέκε όηη ε επαθή είλαη νξζά πνιωκέλε. Σόηε ε επαθή δηαξξέεηαη από ξεύκα έληαζεο I I s e qv / kt 1 (ραξαθηεξηζηηθή εμίζωζε ηεο επαθήο), όπνπ k 8, ev /K ε ζηαζεξά ηνπ Boltzmann, T ε ζεξκνθξαζία ζε βαζκνύο Kelvin θαη Ι s ην ξεύκα θόξνπ πνπ εμαξηάηαη θπξίσο από ηελ ζεξκνθξαζία θαη αζήκαληα από ηελ εθαξκνδόκελε ηάζε V. Τπνζέηνπκε ηώξα όηη θσηίδνπκε ηελ επαθή κε αθηηλνβνιία ηέηνηαο ζπρλόηεηαο ώζηε ηα ειεθηξόληα πνπ ζρεκαηίδνπλ ηνπ δεζκνύο λα απόθηήζνπλ αξθεηή ελέξγεηα γηα Π.Μουστάνης Σελίδα 33

5 λα θύγνπλ αθήλνληαο πίζσ ηνπο νπέο. Όηαλ δεκηνπγεζνύλ νπέο θαη ειεθηξόληα ζην ζηξώκα απνγύκλωζεο ηόηε απηά, ππό ελ επίδξαζε ηνπ ειεθηξηθνύ πεδίνπ πνπ ππάξρεη ζην ζηξώκα απηό, θηλνύληαη ηα κέλ ειεθηξόληα πξνο ηελ πεξηνρή n θνξηίδνληάο ηελ έηζη αξλεηηθά, νη δε νπέο θηλνύληαη πξνο ηελ πεξηνρή p θνξηίδνληάο ηελ ζεηηθά. Άξα ινηπόλ εκθαλίδεηαη κία δηαθνξά δπλακηθνύ ζηα άθξα ηεο επαθήο ε νπνία νλνκάδεηαη ΗΕΔ ηνπ θωηνβνιηαϊθνύ ζηνηρείνπ. Όηαλ ζπλδέζνπκε κία αληίζηαζε ζηα άθξα ηνπ ζηνηρείνπ ηόηε απηή ζα δηαξξέεηαη από ξεύκα έληαζεο Ι θαη ε ηάζε ζηα άθξα ηεο ζα είλαη V. Η γξαθηθή παξάζηαζε ηεο έληαζεο Ι ζπλαξηήζεη ηεο ηάζεο V νλνκάδεηαη ραξαθηεξηζηηθή θακπύιε ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ θαη γηα θάπνηα ζηαζεξή θσηεηλή ξνή Φ δίλεηαη ζην παξαθάησ ζρήκα 5: Σρήκα 5 Σν ζεκείν Q είλαη ην ζεκείν (V,I) ζην νπνίν ην γηλόκελν VI=P(ηζρύο) δειαδή ην εκβαδόλ ηνπ νξζνγσλίνπ θαη ζπλεπώο ε ηζρύο κε ηελ νπνία ηξνθνδνηεί ην θσηνβνιηατθό ηελ αληίζηαζε, γίλεηαη κέγηζηε. Σν Q ιέγεηαη ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηνπ θσηνβνιηατθνύ. Ο ζπληειεζηήο απόδνζεο ηνπ θσηνβνιηατθνύ νξίδεηαη ζαλ ην πνζνζηό ηεο νιηθήο θσηεηλήο ελέξγεηαο πνπ κεηαηξέπεηαη ζε ειεθηξηθή. Απηό ην πνζνζηό εμαξηάηαη από ηελ ηηκή ηεο αληίζηαζεο R θαζώο, όπσο θαίλεηαη θαη από ην ζρήκα, ην Q είλαη ην ζεκείν ηνκήο ηεο θακπύιεο κε ηελ επζεία θόξηνπ: I 1 R V (ηεο κνξθήο y=ax). Π.Μουστάνης Σελίδα 34

6 4. Πεηξακαηηθή Γηάηαμε Η δηάηαμε πνπ ρξεζηκνπνηείηαη θαίλεηαη ζηελ παξαθάησ θσηνγξαθία: ρεκαηηθά ε πεηξακαηηθή δηάηαμε θαίλεηαη παξαθάησ: 5. Λήςε θαη επεμεξγαζία κεηξήζεσλ 1. Με ηε βνήζεηα ηνπ κεηαγσγνύ (Variac) ξπζκίδνπκε ηελ ηάζε ζηα άθξα ηεο ιάκπαο πνπ θσηίδεη ην θσηνβνιηατθό ζηνηρείν λα είλαη U=180V θαη επηιέγνπκε θαηάιιειεο θιίκαθεο γηα ην βνιηόκεηξν θαη ην ακπεξόκεηξν. 2. πιιέγνπκε 10 κεηξήζεηο (V, I) γηα ηνλ πεηξακαηηθό πξνζδηνξηζκό ηεο ραξαθηεξηζηηθήο θακπύιεο I=f(V) ρσξίο λα αιιάμνπκε ηηο θιίκαθεο ησλ πνιπκέηξσλ. Σάζε θσηηζκνύ 210 V 225 V U(V)=180V V I(mA) V I(mA) V I(mA) Π.Μουστάνης Σελίδα 35

7 3. Δπαλαιακβάλνπκε ηε πξνεγνύκελε εξγαζία γηα ηάζεηο θσηηζκνύ U=210V θαη U=225V. 4. Υαξάδνπκε ζην ίδην ζρέδην ηηο ηξεηο ραξαθηεξηζηηθέο θακπύιεο I=f(V) θαη ηηο ζπγθξίλνπκε. 5. Τπνινγίδνπκε ηελ πξνζπίπηνπζα θσηεηλή ηζρύ Φ πνπ πξνζπίπηεη ζην θσηνβνιηατθό ζηνηρείν ζε Watt, ιακβάλνληαο ππ όςε όηη ε επηθάλεηα έρεη εκβαδόλ S= cm 2 θαη ν θσηηζκόο ηεο είλαη Β= Lux όηαλ ε ηάζε θσηηζκνύ είλαη U=225V. (Γίδνληαη: Φ=BS, 1Lumen= Lux m 2, 1Lumen=1, Watt). 6. Πξνζδηνξίδνπκε ην ζεκείν Q ιεηηνπξγίαο ηνπ θσηνβνιηατθνύ ζηνηρείνπ όηαλ ε ηάζε θσηηζκνύ ηεο ιάκπαο είλαη U=225V θαη ππνινγίδνπκε ηελ κέγηζηε ηηκή ηνπ ζπληειεζηή απόδνζεο α = P/Φ ηνπ ζηνηρείνπ θαη ηελ αληίζηνηρε ηηκή ηεο αληίζηαζεο R. 6. Δξσηήζεηο 1. Ση είλαη εκηαγσγόο; Πνηά ε δηαθνξά ηνπ από έλα κέηαιιν θαη έλαλ κνλσηή; 2. Πόζσλ εηδώλ εκηαγσγνί ππάξρνπλ: Πνηνί είλαη νη θνξείο αγσγηκόηεηαο ζε θάζε εκηαγσγό; 3. Πνηνί παξάγνληεο επεξεάδνπλ ηελ αγσγηκόηεηα ελόο εκηαγσγνύ; Π.ρ. πώο κπνξνύκε λα απμήζνπκε ηελ αγσγηκόηεηα ελόο εκηαγσγνύ; 4. Ση ζπκβαίλεη όηαλ θέξνπκε ζε επαθή έλαλ εκηαγσγό ηύπνπ p κε έλαλ ηύπνπ n; 5. Πεξηγξάςηε ηη ζπκβαίλεη όηαλ θσηίζνπκε κηα επαθή p-n κε θσηόληα θαηάιιειεο ζπρλόηεηαο. Ση ζεκαίλεη θαηάιιειε ζπρλόηεηα; Tη ζα ζπκβεί όηαλ αθηηλνβνιήζνπκε ηελ επαθή κε ξαδηνθύκαηα (κηθξή ζπρλόηεηα) θαη ηη ζα ζπκβεί όηαλ ηελ αθηηλνβνιήζνπκε κε αθηίλεο Υ; 6. Tη νλνκάδεηαη ζεκείν ιεηηνπξγίαο ηνπ Φσηνβνιηατθνύ θαη ηη ζπληειεζηήο απόδνζεο; Πώο ππνινγίδεηαη γξαθηθά ην ζεκείν ιεηηνπξγίαο; Βηβιηνγξαθία 1.«Σν θσηνβνιηατθό ζηνηρείν» από ην βηβιίν, Δξγαζηεξηαθέο Αζθήζεηο Φπζηθήο ΙΙ Οκάδα Φπζηθώλ ΣΔΙ ΠΔΙΡΑΙΑ, (Mαθεδνληθέο Δθδόζεηο). 2.YOUNG H., University Physics Σόκνο ΙΙ, Addison-Wesley (Δθδόζεηο Παπαδήζε 1990). Δλδηαθέξνπζεο πιεξνθνξίεο ζρεηηθά κε ηηο εθαξκνγέο ησλ Φσηνβνιηατθώλ ζπζηεκάησλ κπνξείηε λα βξείηε θαη ζηνπο παξαθάησ δηαδηθηπαθνύο ηόπνπο: NASA: How do Photovoltaics Work? Π.Μουστάνης Σελίδα 36