Πείραμα - 7 Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου

Πείραμα - 7 Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου 1

Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου 1.1 Αρχή της άσκησης Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική. Το φωτοβολταϊκό φαινόμενο ανακαλύφθηκε το 1839 από τον Alexandre-Edmond Becquerel. Περιληπτικά πρόκειται για την απορρόφηση της ενέργειας του φωτός από τα ηλεκτρόνια των ατόμων του φωτοβολταϊκού στοιχείου και την απόδραση των ηλεκτρονίων αυτών από τις κανονικές τους θέσεις με αποτέλεσμα την δημιουργία ρεύματος. Το ηλεκτρικό πεδίο που προϋπάρχει στο φωτοβολταϊκό κύττταρο οδηγεί το ρεύμα στο φορτίο. Τα φωτοβολταϊκά πλαίσια έχουν ως βασικό μέρος το ηλιακό κύτταρο (solar cell) που είναι ένας κατάλληλα επεξεργασμένος ημιαγωγός μικρού πάχους σε επίπεδη επιφάνεια. Η πρόσπτωση ηλιακής ακτινοβολίας δημιουργεί ηλεκτρική τάση και με την κατάλληλη σύνδεση σε φορτίο παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία ομαδοποιούνται κατάλληλα και συγκροτούν τα φωτοβολταϊκά πλαίσια ή γεννήτριες (module), τυπικής ισχύος από 20W έως 300W. Τα φωτοβολταϊκά στοιχεία χωρίζονται σε δυο βασικές κατηγορίες 1. Κρυσταλλικού Πυριτίου a) Μονοκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 14,5% έως 21%, b) Πολυκρυσταλλικού πυριτίου, με ονομαστικές αποδόσεις πλαισίων 13% έως 14,5%.2. 2. Λεπτών Μεμβρανών Άμορφου Πυριτίου, ονομαστικής απόδοσης ~7%. Χαλκοπυριτών,με ονομαστικής απόδοσης από 7% έως 11%. Το πυρίτιο (Si) είναι η βάση για το 90% περίπου της παγκόσμιας παραγωγής Φ/Β. Η κυριαρχία αυτή οφείλεται αρχικά στην τεράστια παγκόσμια επιστημονική και τεχνική υποδομή για το υλικό αυτό από τη δεκαετία του '60. Μεγάλες κυβερνητικές και βιομηχανικές επενδύσεις έγιναν σε προγράμματα για τις χημικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του Si, ώστε να δημιουργηθεί ο εξοπλισμός που απαιτείται στα βήματα της επεξεργασίας για την απόκτηση της απαραίτητης καθαρότητας και της κρυσταλλικής δομής του υλικού Σκοπός της άσκησης είναι η εξοικείωση με το μηχανισμό λειτουργίας και τις ιδιότητες των ημιαγωγικών φωτοβολταϊκών κυττάρων. Βιβλιογραφία: Κεφάλαια: 1. Φώς 2. Στοιχεία της φυσικής στερεάς κατάστασης 7. Φωτοανιχνευτές

1.1.1 Επί μέρους σκοποί της άσκησης Να καθοριστεί η ένταση του φωτός σε διάφορες αποστάσεις από την πηγή με τη βοήθεια του φωτοανιχνευτή (thermοpile) Να μετρηθεί η τάση ανοικτού κυκλώματος και το ρεύμα βραχυκυκλώσεως σε διάφορες αποστάσεις από την πηγή. Να υπολογιστεί η εξάρτηση της τάσεως ανοικτού κυκλώματος από τη θερμοκρασία. Να χαραχθεί η καμπύλη ρεύματος - τάσης για διάφορες εντάσεις φωτός. 1.2 Περιγραφή της συσκευής μέτρησης Παίρνοντας μετρήσεις του ρεύματος και της τάσης ενός φωτοβολταϊκού κυττάρου χρησιμοποιώντας διάφορες εντάσεις φωτός, σε διάφορες αποστάσεις, κατασκευάζονται οι χαρακτηριστικές καμπύλες του φωτοβολταϊκού κυττάρου. Επίσης καθορίζεται η εξάρτηση της τάσεως στο ανοικτό κύκλωμα και του ρεύματος βραχυκυκλώσεως από τη θερμοκρασία. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από : Λαμπτήρα πυρακτώσεως Φωτοβολταϊκα κύτταρα Δύο πολύμετρα Θερμόμετρο Θερμοανιχνευτή 3

1.3 Θεωρία και υπολογισμοί Η Διεπαφή p-n Το καθαρό ομοιογενές πυρίτιο (intrinsic semiconductor) όταν προσμιχθεί με εξωγενή τρισθενή και πεντασθενή άτομα δημιουργεί p-type και n-type ημιαγωγούς (extrinsic semiconductor). Εάν τοποθετηθούν μαζί ένας p-type και ένας n-type κρύσταλλος, δημιουργείται μια σύνδεση ( p-n junctiοn, Σχ.1 ), οι ηλεκτρικές ιδιότητες της οποίας καθορίζούν την λειτουργία του φωτοκυττάρου. p n Q.U D E F Σχήμα 1 - Το ενεργειακό διάγραμμα μιας σύνδεσης p-n σε θερμοδυναμική ισορροπία. - αποδέκτες, + δότες. Ud είναι το δυναμικό επαφής, Εf είναι το χαρακτηριστικό ενεργειακό επίπεδο Fermi, και Q είναι το στοιχειώδες φορτίο. Σε κατάσταση ισορροπίας (χωρίς εξωτερική τάση), το χαρακτηριστικό ενεργειακό επίπεδο Fermi Ef είναι ομοιόμορφο. Λόγω της διαφοράς στη συγκέντρωση ηλεκτρονίων και οπών στη περιοχή p και n, τα ηλεκτρόνια διαχύνονται στην περιοχή p, ενώ οι οπές στη περιοχή n. Τα ακίνητα άτομα προσμίξεως δημιουργούν μια περιοχή με περιορισμένους φορείς ρεύματος ( space-charge regiοn) ή περιοχή στρώματος φραγμού (depletiοn layer). Η διάχυση των φορέων φορτίου στις αντίθετες πλευρές της σύνδεσης (ρεύμα διαχύσεως) και η ακινητοποίησή τους σε ενεργειακά επίπεδα του αντίθετου φορέα (ηλεκτρόνιο σε οπή και το αντίστροφο), κοντά στη σύνδεση, δημιουργεί σταδιακά μια περιοχή ηλεκτρικού πεδίου που εμποδίζει την περαιτέρω άφιξη άλλων ομόσημων φορέων από την αντίθετη πλευρά, λόγω της απωστικής ηλεκτροστατικής δυνάμεως. Έτσι, δημιουργείται ένα αντίθετο ρεύμα (ρεύμα μετακίνησης). Το ρεύμα διάχυσης αντισταθμίζει το ρεύμα μετακίνησης στην κατάσταση ισορροπίας. Η δυναμικό επαφής, Ud, στη σύνδεση p-n εξαρτάται από την ποσότητα αναμίξεως ( dοping) και αντιστοιχεί στην αρχική διάφορα μεταξύ των επιπέδων ενέργειας του Fermi EFn και EFp των αντίστοιχων περιοχών p, n πριν από την σύνδεση. Στο πυρίτιο, οι τιμές του Ud βρίσκονται μεταξύ 0.5 και 0.7V. Εάν φως με φωτονική ενέργεια hν ΕG προσπέσει πάνω σε μια σύνδεση p-n, τα φωτόνια δημιουργούν ζεύγη ηλεκτρονίων - οπών, τα οποία διαχωρίζονται από το στρώμα φραγμού. Τα ηλεκτρόνια περνούν στην περιοχή n ενώ οι οπές στη περιοχή p, σχήμα 2. 4

E hv E o E g hv E v W X Σχήμα 2 - Η ενεργειακή δομή της φωτοδιεγερμένης σύνδεσης p-n. Τα φωτόνια απορροφούνται όχι μόνο από την σύνδεση p-n αλλά και από το στρώμα p που βρίσκεται στο πάνω μέρος της. Τα ηλεκτρόνια που παράγονται είναι σε συγκεντρώσεις που υπερβαίνουν τις συγκεντρώσεις ισορροπίας στην περιοχή p λέγονται <<φορείς μειονότητας>>. Το ίδιο συμβαίνει και με τις οπές που παράγονται σε μεγαλύτερες συγκεντρώσεις στην περιοχή n. Σαν αποτέλεσμα η συγκέντρωση και κατά συνέπεια η αποδοτικότητα των φορέων μειονότητας ελαττώνεται κατά ένα μεγάλο βαθμό από την επανασύνδεση τους (recοmbinatiοn) με τους << φορείς πλειονότητας >> στην αντίστοιχη περιοχή. Γι' αυτό η περιοχή p θα πρέπει να είναι αρκετά λεπτή για τα ηλεκτρόνια με μήκος διάχυσης Le να εισέλθουν στην περιοχή n, πχ: L e t 1 2 όπου t= το πάχος του p στρώματος και L ) i ( D i i Di είναι ο συντελεστής διαχύσεως των φορέων (i) και τi είναι ο χρόνος ζωής τους. (i)=n,p. Εάν, g είναι ο αριθμός ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που παράγονται ανά μονάδα επιφάνειας και εάν μια διαφορά δυναμικού U εφαρμοστεί στην ένωση p-n, τότε θα παραχθεί μια ροή ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών πυκνότητας: J h J e exp 1 J U = + QU kt (1) Ρεύμα που διαρέει μια δίοδο (Shockley diode equation) όπου : Jh p0dh Lh και Je n0de Le (2) όπου : 5

Q : το στοιχειώδες φορτίο k: η σταθερά του Bοltzmann Τ: η θερμοκρασία Di: ο συντελεστής διάχυσης των ηλεκτρονίων και των οπών (i = e,h) n0, p0 : οι πυκνότητες σε κατάσταση ισορροπίας των φορέων μειονότητας. Η Χαρακτηριστικές Καμπύλες Ενός Ηλιακού Φωτοκύτταρου Ο πρώτος όρος μέσα στην δεύτερη παρένθεση της Εξ. (1) αντιπροσωπεύει το ρεύμα διαχύσεως (ηλεκτρονίων από την πλευρά n στη πλευρά p, και οπών από την p στη n) και καλείται ρεύμα επανασύνδεσης. Ο δεύτερος όρος αντιπροσωπεύει ρεύματα αντιθέτου διευθύνσεως τα οποία δημιουργούνται στις αντίστοιχες πλευρές λόγω θερμικής διεγέρσεως των ηλεκτρονίων στην πλευρά n και οπών στην πλευρά p, και τα οποία σαρώνονται στην αντίθετη πλευρά λόγω του υπάρχοντος ηλεκτρικού πεδίου στο στρώμα φραγμού. Αυτά λέγονται ρεύματα παραγωγής. Η Εξ. (1) δείχνει ότι η πυκνότητα του ρεύματος σαν συνάρτηση της τάσης ανάμεσα στις περιοχές n και p, αυξάνεται κατά προσέγγιση εκθετικά όταν U>>kT/Q, και τείνει προς τη μικρή οριακή τιμή : J U ) Q( J h J ) (3) ( e όταν το U<<-kT/Q. Η τιμή του J ( U ) είναι αυτή της πυκνότητας του ρεύματος παραγωγής. Λόγω της πιο πάνω συμπεριφοράς της στη σχέση J προς U η σύνδεση p-n λέγεται και ανορθωτής. Όταν η διέγερση των φορτίων γίνεται οπτικά μέσω φωτονίων, τότε έχουμε το φωτοβολταικό φαινόμενο της μετατροπής της οπτικής ενέργειας σε ηλεκτρική. Στην περίπτωση που η οπτική πηγή είναι ο ήλιος, η σύνδεση p-n λειτουργεί σαν ένα ηλιακό κύτταρο. Το κύκλωμα του ηλιακού κυττάρου Το σχεδιάγραμμα του κυκλώματος που χρησιμοποιείται στην παραγωγή ηλεκτρικής τάσης (ή ρεύματος) μέσω ενός ηλιακού κυττάρου φαίνεται στο Σχ. 3. Η πηγή της φωτοβολταϊκής τάσης Upν ταυτίζεται με τη μη γραμμική αντίσταση του ηλιακού κυττάρου, το οποίο και συμβολίζεται με το σύμβολο του ανορθωτή. J(U) hv Α J d J s V pv Σχήμα 3 - Ηλεκτρικό κύκλωμα φωτοβολταϊκού κυττάρου 6

Στο Σχ.3 έχουν ξεχωριστεί οι δύο λειτουργίες του φωτοκυττάρου για διευκόλυνση της αντιληπτικότητας του κυκλώματος. Η εξωτερική αντίσταση του ηλεκτρικού φορτίου είναι RL. Αν δεν υπήρχε κατανάλωση ρεύματος λόγω της αντίστασης του κυττάρου, τότε, σαν πηγή και μόνο, το φωτοβολταϊκό κύτταρο θα δημιουργούσε μια πυκνότητα ρεύματος Js. Αυτό φυσικά θα γινόταν αν απουσίαζε το κύτταρο δηλ. Upν=0. Για το λόγο αυτό, η χαρακτηριστική πυκνότητα ρεύματος, Js, καλείται πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώσεως. Εφαρμογή του νόμου του Kirchhοff (Νόμος διατηρήσεως του ρεύματος) στο σημείο Α δίνει: QU kt pv pv J s J o exp 1 J U = - (4) όπου Jο = Jh + Je. Δύο οριακές τιμές προκύπτουν από την Εξ. (4) (i) Οταν Upν = 0 τότε: J(0) = Js (όριο βραχυκυκλώματος) (ii) Οταν υπάρχει ανοικτό κύκλωμα (RL ) τότε διακόπτεται το ρεύμα: J(Upν = Uοc)=0. Επομένως kt s oc = ln I U + 1 Q I o όπου τα ρεύματα Is και Iο προκύπτουν γράφοντας:: (5) Is = JsA και Iο = JοA Α = διατομικό εμβαδόν της σύνδεσης p-n. Η πυκνότητα βραχυκυκλώσεως, Js, εξαρτάται από την ένταση της προσπίπτουσας ακτινοβολίας του φωτός όταν η θερμοκρασία παραμένει σταθερή: 2 J s = - Q g [A/ m ] (6) όπου (-Q) είναι η απόλυτη τιμή του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Το g είναι η ροή των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που παράγονται από την επίδραση του φωτός και κατορθώνουν να υπερβούν το φραγμό διαχύσεως στην περιοχή του στρώματος φραγμού. Απόδοση του Ηλιακού Φωτοκυττάρου. Η απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου, η, είναι εξ ορισμού: P n (7) max P i όπου Pmax είναι η μέγιστη παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς, και Pi είναι η προσπίπτουσα οπτική ισχύς. 7

Η γραφική παράσταση μεταξύ του ρεύματος εξόδου (I) και της τάσης εξόδου (V) ενός ηλιακού φψτοκυττάρου ονομάζεται I-V χαρακτηριστική. Μια τέτοια αντιπροσωπευτική καμπύλη παρουσιάζεται στο Σχήμα 4: Σχήμα 4 - Χαρακτηριστική I-V της ηλιακής κυψέλης Η ισχύς που παράγει φωτοκύτταρο είναι: όπου: I: το ρεύμα στην έξοδο, V: η τάση στην έξοδο. Η μέγιστη ισχύς Pmax επιτυγχάνεται όταν το γινόμενο IV είναι μέγιστο: P=IV(W) (8) Pmax=Im Vm(W) (9) όπου: Im: Vm: η τάση στο σημείο μέγιστης ισχύος, το ρεύμα στο σημείο μέγιστης ισχύος. Στο Σχήμα 5 φαίνεται το σημείο μέγιστης ισχύος Pmax, το ρεύμα βραχυκύκλωσης Isc και η τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc. Η μέγιστη ισχύς προφανώς ισούται με το εμβαδό του ορθογωνίου και αναφέρεται ως ονομαστική ισχύς της ηλιακής κυψέλης. Σχήμα 5: Χαρακτηριστική I-V της ηλιακής κυψέλης με τις κυριότερες παραμέτρους Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, το g αυξάνεται κατά ελάχιστο ποσοστό (λιγότερο από 0,01%) 8

Η μεγίστη τιμή της διαφοράς δυναμικού Upν, είναι το δυναμικό επαφής Ud. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, η τάση ανοικτού κυκλώματος Uοc ελαττώνεται τυπικά με ρυθμό -2.3 mv/k, αφού το Iο είναι ανάλογο των πυκνοτήτων nο, pο, Εξ. (4), οι οποίες αυξάνονται με τη θερμοκρασία σύμφωνα με τη σχέση ισορροπίας: p 0 n0 exp( ) (8) 2kT 1.4 Εκτέλεση του πειράματος 1. Να καταγραφεί η ένταση του φωτός με τη βοήθεια του φωτοανιχνευτή και του ενισχυτή για διάφορες αποστάσεις από τη πηγή φωτός. (Σημείωση: η μεγίστη τάση στην έξοδο του ενισχυτή είναι 10 V). Η απόσταση μεταξύ του λαμπτήρα και του θερμοανιχνευτή θα πρέπει να είναι τουλάχιστο 50 cm για να αποφευχθεί η απ ευθείας θέρμανση του θερμοανιχνευτή. Να τοποθετήσετε το Λαμπτήρα 50 cm από την αρχή του μεταλλικού διαδρόμου. Ενισχυτής Βολτόμετρο Λαμπτήρας Ανιχνευτής Φωτός Σχήμα 6 - Πειραματική διάταξη για τη μέτρηση της έντασης του φωτός Το φωτοκύτταρο μετρά απ' ευθείας το φως του λαμπτήρα καθώς και αυτό που προέρχεται από την διάχυση στις διάφορες επιφάνειες. Επειδή ο λαμπτήρας έχει φωτεινό κώνο περίπου 30 ο, το φως από διάχυση προέρχεται κυρίως από ανάκλαση στο άνω μέρος του πάγκου. Αυτό μπορεί να εξουδετερωθεί καλύπτοντας τον πάγκο με ένα μαύρο ύφασμα ή χαρτόνι. 2. Να κατασκευαστεί η αντίστοιχη καμπύλη της έντασης του φωτός J[W/m 2 ] σαν συνάρτηση της αποστάσεως S (ανά 10 cm) του φωτοανιχνευτή από την πηγή, όταν 50 cm< S< 150cm. Ο συντελεστής μετατροπής σήματος του θερμο-ανιχνευτή είναι 0.16mV/mW. Η διάμετρος του φωτο-ανιχνευτή είναι 2.5 cm 9

Σχήμα 7. Δείγμα γραφικής παράστασης J = f(s) 3. Να καταγραφεί η τάση ανοικτού κυκλώματος (U ο) με το φωτοβολταϊκό κύτταρο πολύκρυσταλλικού Si στις αποστάσεις S (ανά 10 cm), 50 cm < S < 200cm από το λαμπτήρα και να κατασκευαστεί η καμπύλη U ο σαν συνάρτηση της έντασης του φωτός (Ε). Να αναληφθεί το ίδιο και για το ρεύμα βραχυκυκλώσεως I s. Σχολιάστε τα αποτελέσματα σας λαμβάνοντας υπόψη τις εξισώσεις 5 και 6. Σημείωση: Αφαιρέστε τον ενισχυτή και τον θερμοανιχνευτή και συνδέστε το πολύμετρο απευθείας στο φωτοκύτταρο. Ενώστε το πολύμετρο σαν αμπερόμετρο ή βολτόμετρο ανάλογα με πιο μέγεθος θέλετε να μετρήσετε. Σχήμα 7. Δείγμα γραφικής παράστασης V o, I s= f(j) 4. Να καταγραφεί η εξάρτηση του U οc από τη θερμοκρασία, θερμαίνοντας το φωτοκύτταρο με ζεστό αέρα. Η θερμοκρασία να μετράται αμέσως μπροστά από το φωτοκύτταρο. ΠΡΟΣΟΧΗ: Μην αγγίξετε το p- στρώμα γιατί καταστρέφεται εύκολα. Αυτή η μέτρηση μόνο προσεγγιστικά αποτελέσματα θα δώσει. 5. Τοποθετώντας το φωτοκύτταρο σε απόσταση μεγαλύτερη από 50 cm η αύξηση της θερμοκρασίας λόγω της θερμικής ακτινοβολίας μπορεί να θεωρηθεί αμελητέα σε σχέση μ' αυτή που οφείλεται στο ζεστό αέρα. Δώσατε την τιμή του ΔU οc/δτ 10

6. Με το R L (χρησιμοποιείστε δύο μεταβλητές αντίστασης των 220Ω και 1000Ω σε σειρά ) σαν μεταβλητή να κατασκευαστούν οι χαρακτηριστικές καμπύλες ρεύματος-τάσης για αποστάσεις: 60, 80,100,120 και 140 cm, 160 cm, 200 cm. Σε ποιες εντάσεις φωτός αντιστοιχούν αυτές οι αποστάσεις; Βρείτε το σημείο όπου η αναπτυχθείσα ισχύς της συστοιχίας των ηλιακών κυττάρων είναι μέγιστη σε κάθε καμπύλη Σχήμα 8. Δείγμα γραφικής παράστασης I= f(v) 7. Χρησιμοποιείστε την Εξ.(7) και τα αποτελέσματα των μετρήσεων του φωτοανιχνευτή για να προσδιορίσετε την απόδοση της συστοιχίας των ηλιακών κυττάρων του πειράματος. 8. Να επαναλάβετε τις μετρήσεις (παράγραφος 3-7) με το φωτοβολταϊκό κύτταρο μονοκρυσταλλικού Si. Σημειώστε ότι με το φωτοβολταϊκό κύτταρο μονοκρυσταλλικού Si θα χρησιμοποιήσετε μόνο την αντίσταση των 220 Ω στις μετρήσεις της παραγράφου 6. Ερωτήσεις για την κατανόηση της αρχής λειτουργία του πειράματος 1. Συγκρίνετε το φάσμα εκπομπής ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως με το ηλιακό φάσμα. 2. Περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας του ανιχνευτή μέτρησης ισχύος που χρησιμοποιείται στο πείραμα. 3. Τι είναι η στερεά γωνία κει πως χρησιμοποιείται στη μέτρηση της έντασης του φωτός. 4. Τι είναι το φωτοκύτταρο και από τι αποτελείται; Περιγράψετε την αρχή λειτουργίας του. 5. Πως συσχετίζεται η απόδοση ενός φωτοβολταικού (μη οργανικού), με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού που είναι κατασκευασμένο. Θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν και άλλοι ημιαγωγοί για να αυξηθεί η απόδοση. 6. Το φωτοκύτταρο που χρησιμοποιείται στο πείραμα είναι πολυκρυσταλλικό ή μονοκρυσταλλικό; Τι χρησιμοποιείται στις εμπορίκες εφαρμογές και γιατί; 11

7. Αναφέρετε διάφορα είδη φωτοβολταικών κυτταρων που υπάρχουν (οργανικών και μη), την απόδοσή και τις εφαρμογές τους. 12