zadanie z-e pomiar parametrÓw ogniw...
Post on 02-Dec-2020
2 Views
Preview:
TRANSCRIPT
ZADANIE Z-E
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH
I. Cel ćwiczenia
W trakcie ćwiczenia będą wyznaczane parametry elektryczne komercyjnego ogniwa
fotowoltaicznego. Na podstawie znanej wydajności ogniwa wyznaczona zostanie moc światła
padająca na ogniwo.
II. Podstawy teoretyczne
Ogniwo fotowoltaiczne jest złączem p-n otoczonym z dwóch stron elektrodami. Poglądowy
schemat ogniwa krzemowego (tzn. takiego w którym półprzewodnikiem zastosowanym w złączu jest
krzem) przedstawia rysunek 1. Światło słoneczne padające na ogniwo jest pochłaniane w objętości
złącza p-n, które stanowi tzw. warstwę aktywną – najważniejszą część ogniwa.
Rysunek 1. Schemat a) krzemowego ogniwa fotowoltaicznego, strzałki oznaczają padające promieniowanie słoneczne
oraz schemat działania ogniwa fotowoltaicznego b) generacja pary elektron-dziura pod wpływem światła,
c) rozdzielenie ładunków do przeciwległych elektrod.
Podczas absorpcji promieniowania następuje kreacja par elektron-dziura. Efekt ten nazywamy
fotogeneracją. Jeśli taka para zostanie wygenerowana w pobliżu złącza p-n następuje jej separacja
i transport już swobodnych nośników w głąb odpowiednich obszarów złącza. Nośniki te stanowią
dodatkową koncentrację swobodnych ładunków, które dyfundują aż do przeciwległych elektrod.
Powstały w ten sposób prąd jest nazywany fotoprądem zaś jego wartość jest jednym z podstawowych
parametrów charakteryzujących ogniwo. Natężenie prądu płynącego w ogniwie w funkcji napięcia
ma charakter wykładniczy i jest opisywane równaniem Shockley’a:
𝐼 = 𝐼0 (exp (𝑒𝑉
𝑘𝐵𝑇) − 1) − 𝐼𝑝ℎ, (1)
gdzie I0 to prąd wsteczny, Iph to fotoprąd, e – ładunek elementarny, V – przyłożone napięcie, kB – stała
Boltzmanna, T – temperatura.
a) b)
c)
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 2
Na rysunku 2 przedstawiono charakterystyki prądowo-napięciowe ogniwa fotowoltaicznego
w ciemności oraz w czasie jego oświetlenia. Można zauważyć, że jest to ta sama krzywa przesunięta
na osi prądu o wartość prądu Iph. Wartość tego prądu zależy liniowo od intensywności oświetlenia
oraz powierzchni ogniwa. By porównywać pomiędzy sobą ogniwa należy więc podać moc
oświetlenia oraz powierzchnię ogniwa. W literaturze najczęściej podaje się gęstość prądu
w znormalizowanych warunkach oświetlenia równych 1000 W/m2.
Rysunek. 2. Charakterystyki prądowo-napięciowe złącza p-n w różnych warunkach oświetleniowych
Z otrzymanych krzywych prądowo-napięciowych możemy wyznaczyć kluczowe parametry
charakteryzujące badane ogniwo w warunkach oświetlenia. Część z nich możemy bezpośrednio
odczytać z wykresu ogniwa (rys. 3).
Prąd zwarcia (ang. short circuit current, ISC) – prąd, który otrzymujemy przy braku przyłożonego
napięcia do ogniwa. Jest to prąd, który zmierzymy jeśli po prostu połączymy ogniwo
z amperomierzem. Potocznie jest tak nazywany maksymalny prąd, który możemy otrzymać z ogniwa.
Prąd zwarcia odczytujemy bezpośrednio z wykresu. Pamiętamy, że na wykresie prąd ten ma ujemną
wartość, chociaż w literaturze podaje się jego wartość bezwzględną.
Napięcie rozwarcia (ang. open circuit voltage, VOC) – napięcie, które należy przyłożyć, by przez
ogniwo nie płynął żaden prąd. Inaczej mówiąc jest to punkt na wykresie, w którym prąd jest równy
zeru. Jest to maksymalne napięcie możliwe do otrzymania przez ogniwo. Punkt ten, podobnie jak ISC
odczytujemy bezpośrednio z wykresu I-V.
Punkt mocy maksymalnej (ang. maxiumum power point, PMAX) – punkt pracy, w którym ogniwo
generuje maksymalną możliwą moc. VMAX oraz IMAX oznaczają odpowiednio napięcie oraz natężenie,
przy których ogniwo osiąga największą moc. By znaleźć ten punkt pracy konieczne jest wykreślenie
krzywej mocy:
𝑃(𝑉) = 𝐼 ∙ 𝑉 = [𝐼0 (exp (𝑒𝑉
𝑘𝐵𝑇) − 1) − 𝐼𝑝ℎ] 𝑉 (3)
Odczytujemy pozycję ekstremum tej funkcji, czyli PMAX (VMAX, IMAX). Podobnie jak ISC, tak PMAX
ma wartość ujemną, stąd na wykresie będzie to tak naprawdę minimum tej funkcji.
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
Prąd Ciemny
Prąd JasnyP
rąd
[j. u
mo
wn
e]
Napięcie [V]
0
-Jph
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 3
Współczynnik wypełnienia (ang. fill-factor, FF) – współczynnik określający jak stabilny jest prąd
zwarcia przy zwiększaniu napięcia w kierunku przewodzenia. W przypadku idealnym prąd
otrzymywany z ogniwa utrzymywałby się na stałym poziomie ISC, aż do przyłożenia napięcia VOC.
W rzeczywistości jednak prąd stopniowo opada jeszcze przed przyłożeniem tego napięcia.
Efektywnie prowadzi to do spadku wydajności ogniwa. Fill factor obliczamy według wzoru:
𝐹𝐹 = 𝑉𝑀𝐴𝑋 ∙ 𝐼𝑀𝐴𝑋
𝑉𝑂𝐶 ∙ 𝐼𝑆𝐶 (4)
FF można przedstawić też graficznie jako stosunek pól odpowiednich prostokątów. FF mówi nam
więc o odstępstwie od przypadku idealnej diody, dla której wynosi on 1. Bardzo dobrze
zoptymalizowane struktury fotowoltaiczne osiągają FF rzędu 0,85.
Wydajność (ang. Power Conversion Efficiency, PCE lub ) – końcowa wydajność ogniwa
zdefiniowana jako stosunek maksymalnej mocy otrzymywanej z ogniwa do mocy padającej światła.
Określamy ją według wzoru:
= 𝑉𝑀𝐴𝑋𝐼𝑀𝐴𝑋
𝑃𝐼𝑁= 𝐹𝐹
𝑉𝑂𝐶𝐼𝑆𝐶
𝑃𝐼𝑁 (5)
PIN jest mocą padającą na ogniwo. Najczęściej jednak, by uniezależnić się od powierzchni źródła
światła, używa się gęstości mocy światła wyrażonej w jednostkach W/m2. Średnia gęstość mocy
promieniowania Słonecznego na Ziemi w słoneczny letni dzień wynosi 1000 W/m2, przy małym
zachmurzeniu – 700 W/m2, przy pełnym zachmurzeniu – 50 W/m2. Komercyjnie dostępne ogniwa
krzemowe osiągają ok. 20% wydajności, z kolei rekordowe, eksperymentalne ogniwa składające się
z kilku struktur p-n osiągają nawet do 40% wydajności.
Rysunek. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa wraz z krzywą mocy generowane przez ogniwo fotowoltaiczne
przy oświetleniu.
Bardziej szczegółowe informacje dotyczące procesów zachodzących w złączu p-n znajdują się w
DODATKU.
-0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6-20
-15
-10
-5
0
5
10
-10.0
-7.5
-5.0
-2.5
0.0
2.5
5.0
Prąd otrzymywany z ogniwa
Moc otrzymywana z ogniwa
Mo
c [
mW
]
Prą
d [
mA
]
Napięcie [V]
(VMAX, IMAX)
PMAX
VOC
ISC
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 4
III. Wykonanie pomiarów
Zadanie to jest przewidziane do samodzielnego wykonania w warunkach domowych. Postaraj się
odtworzyć to doświadczenie na tyle na ile pozwalają Ci Twoje warunki i kreatywność. Wykonaj
szczegółową dokumentację prowadzonego doświadczenia (również fotograficzną), pozwalającą
osobie nieobecnej podczas pomiarów ich odtworzenie oraz ocenę ich poprawności.
III.1. Wyposażenie
Co powinieneś mieć do dyspozycji:
Dwa multimetry
Potencjometr
Zestaw kabelków połączeniowych
Płytkę stykową
Dwa krzemowe ogniwa fotowoltaiczne, każde o sprawności 14%
Zasilacz regulowany
Lampkę biurową lub inne stabilne źródło światła
III.2. Planowanie pomiarów
Ze względu na zasadę działania, elektryczne źródła światła można podzielić na źródła
termiczne (np. żarówki) oraz luminescencyjne (np. diody LED). Ze względu na swoją
charakterystykę widmową i podobny sposób powstawania światła przyjmuje się, że najbardziej
zbliżone do naturalnego światła słonecznego są klasyczne żarówki oraz żarówki halogenowe,
w których światło jest wytwarzane przez rozgrzane do 2500 - 3200 K włókno wolframowe
umieszczone w szklanej bańce wypełnionej gazami szlachetnymi. Jeśli masz do dyspozycji takie
źródło światła użyj go w tracie tego eksperymentu. Charakterystyka diod LED, ze względu na sposób
wytwarzania światła, potrafi znacząco odbiegać od rozkładu termicznego. Jednak na rynku dostępne
są żarówki LED zbliżone do światła słonecznego, których temperatura barwowa jest neutralna
(tzw. ciepła barwa biała). Na etykiecie najczęściej oznaczane są barwą białą, która na skali znajduje
się pomiędzy czerwonym i niebieskim kolorem, a wskaźnik oddania barw wynosi powyżej 80. Dzięki
użyciu takiego źródła światła uda Ci się zapewnić światło imitujące to pochodzące ze Słońca
(przynajmniej w zakresie promieniowania widzialnego).
Warunkiem poprawnego wykonania pomiarów jest zbudowanie stabilnego układu. Przede
wszystkim należy zadbać o unieruchomienie źródła światła. W przypadku użycia latarki (ręcznej
lub ze smarfona) konieczne jest utrzymanie jej w tej samej odległości i pod tym samym kątem
względem ogniwa przez cały czas pomiaru. Jest to dosyć trudne zadanie, stąd poleca się zastosowanie
lampki biurowej. Jeśli jednak musisz użyć latarki czy smartfona zadbaj o zbudowanie stabilnego,
podpierającego je stelaża (np. używając książek). Ogniwo należy umieścić na płaskiej powierzchni
pod lampą w odległości ok. 5 cm (Rys. 4) i zadbać o jego jednorodne oświetlenie (ogniwo powinno
się znajdować bezpośrednio pod źródłem światła, a światło powinno padać na nie prostopadle). Jeśli
masz problem ze stabilnym umieszczenie ogniwa możesz sobie pomóc punktowo przyklejając
je od spodu taśmą dwustronną. Po skończonym eksperymencie ogniwo delikatnie odklej, uważając
aby nie uszkodzić doprowadzeń.
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 5
Rysunek 4. Skośne ustawienie światła (lewy) prowadzi do niejednorodnego oświetlenia ogniwa
III.3. Wykonanie ćwiczenia
a) Pomiar charakterystyki I-V pojedynczego ogniwa
Do zbadania charakterystyki prądowo-napięciowej ogniwa należy zbudować układ
przedstawiony na rysunku 5. Należy zwrócić uwagę na kierunek polaryzacji ogniwa (na ogniwie
zaznaczone są symbole „+” oraz „‒”), amperomierza i woltomierza. Regulację napięcia płynącego
przez układ realizujemy przy użyciu potencjometru przy stałym napięciu zasilacza, który ustawiamy
na ok. 3 V.
Rysunek 5. Schemat układu pomiarowego do zmierzenia charakterystyki I-V pojedynczego ogniwa fotowoltaicznego
Po zbudowaniu układu tak jak na powyższym schemacie (jeśli masz problemy z samodzielnym
zbudowaniem tego układu przy użyciu płytki stykowej zapoznaj się dokumentem „ZASADY
ŁĄCZENIA UKŁADU PRZY UŻYCIU PŁYKI STYKOWEJ” dostępnym na stronach pracowni)
możemy włączyć multimetry wybierając na amperomierzu pomiar stałego prądu na najwyższym
zakresie miliamperowym natomiast na woltomierzu pomiar stałego napięcia na zakresie
odpowiednim do ustawionego napięcia na zasilaczu. Po włączeniu multimetrów można włączyć
zasilanie układu . Ogniwo powinno być zakryte, by nie dostawało się do niego światło. Skręcamy
potencjometr do oporu by napięcie na woltomierzu było bliskie lub równe zeru. Następnie stopniowo
zwiększamy napięcie do ok. 1,2 V, zapisując wskazania amperomierza i woltomierza, pamiętając
aby przy każdym pomiarze dobierać zakresy pomiarowe odpowiednio do mierzonych wartości. Krok
pomiarowy ustalamy na 50 mV, przy czym jeżeli zauważymy szybki wzrost prądu możemy zagęścić
pomiary do ok. 25 mV, by dobrze zmierzyć szybkozmienną część charakterystyki I-V. Po wykonaniu
tej części charakterystyki przechodzimy do zbadania jej po stronie ujemnej. W tym celu skręcamy
Nieprawidłowo Prawidłowo
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 6
ponownie potencjometr do oporu, aby napięcie na woltomierzu było bliskie lub równe zeru,
zmieniamy tylko polaryzację zasilacza (zamieniamy plus z minusem) i powtarzamy tę samą
procedurę pomiarową.
UWAGA: Czasami mierzone napięcie jest bardzo wrażliwe na przekręcenie śruby
potencjometru nawet o mały kąt. Należy wtedy poczekać do ustabilizowania się napięcia i dopiero
spisać pomiar.
Po wykonaniu pomiaru w warunkach ciemności, należy powtórzyć ten sam pomiar przy
zapalonym świetle. W tym celu umieszczamy stabilnie ogniwo pod źródłem światła, które przez cały
czas trwania pomiaru powinno być w tej samej odległości (najlepiej gdyby było w tym samym
miejscu przez czas wykonywania całego ćwiczenia). Schemat wykonania pomiaru dla ogniwa przy
zapalonym świetle jest taki sam jak w ciemności.
b) Łączenie szeregowe i równoległe ogniw
Rysunek 6. Schematy układów do pomiaru dwóch ogniw: a) połączonych szeregowo oraz b) połączonych równolegle
Po zbudowaniu układów z rysunku 6 powtarzamy schemat pomiaru charakterystyki IV
na ciemno i po oświetleniu, który zastosowaliśmy dla pojedynczego ogniwa. W trakcie pomiaru
oświetlonych ogniw należy zwrócić uwagę aby oba ogniwa były oświetlone równomiernie.
IV. Analiza wyników pomiarów
Wykonaj trzy wykresy otrzymanych charakterystyk I-V:
Pojedynczego ogniwa po ciemku i po oświetleniu
Dwóch ogniw połączonych szeregowo po ciemku i po oświetleniu
Dwóch ogniw połączonych równolegle po ciemku i po oświetleniu
Przyjmij, że w tym pomiarze napięcie, natomiast niepewność natężenia przyjmij zgodnie
ze specyfikacją miernika dostępną na stronie pracowni, a następnie dopasuj do zmierzonych
charakterystyk odpowiednie zależności modelowe. Porównaj i skomentuj różnice pomiędzy
trzema zbudowanymi układami ogniw przed i po oświetleniu.
Korzystając z parametrów dopasowanej zależności (2) dla charakterystyk po oświetleniu wykonaj
wykresy krzywych mocy określonych zależnością (3) dla wszystkich przypadków.
Używając sposobu opisanego w instrukcji wyznacz parametry ogniw: ISC, VOC, FF oraz PMAX.
Porównaj i skomentuj różnice pomiędzy trzema zbudowanymi układami ogniw.
Korzystając z zależności (3) wyznacz moc światła padającego na ogniwo (przyjmij przy tym,
że sprawność pojedynczego ogniwa wynosi 14%). Zmierz dokładnie powierzchnię ogniwa (A)
i wyznacz gęstość mocy światła (𝑃 = 𝑃𝐼𝑁/𝐴 ). Porównaj otrzymaną moc światła, ze średnim
natężeniem światła słonecznego. Skomentuj otrzymany wynik. Czy jest on wg Ciebie
prawdopodobny? Jak duże niepewności pomiarowe występowały w trakcie pomiaru i co miało
na nie wpływ?
a) b)
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 7
V. Dodatkowe uwagi odnośnie do raportu
W raporcie zamieść wszystkie surowe wyniki pomiarów tak, aby sięgając jedynie do raportu
i bez potrzeby odwoływania się do protokołu z doświadczenia można było wykonać pełną
i niezależną analizę Twych danych. Pamiętaj, że w niektórych przypadkach uzasadnione jest
przeniesienie tych danych do Suplementu. W przypadku dużej liczby danych pomiarowych
(np. zebranych komputerowo) dopuszczalne jest umieszczenie danych nie w formie tabel,
ale w formie wykresów. Wówczas oryginalne dane należy dołączyć do raportu w formie cyfrowej
(np. w wiadomości email do prowadzącego). W przypadku ćwiczeń zdalnych do raportu dołącz
(np. w suplemencie) dokumentację fotograficzną przeprowadzonego przez Ciebie ćwiczenia.
Nim przygotujesz raport, zaznajom się z uwagami zawartymi w wymaganiach dotyczących
raportu zamieszczonymi na stronie pracowni. Absolutnie zalecane jest także świadome przyjrzenie
się redakcji tekstu, a także tabel, rysunków i wzorów, sposobów ich numerowania, tytułowania
i opisywania w dowolnym, ale wydanym przez uznane wydawnictwo, akademickim podręczniku
do fizyki, jak również zajrzenie do kilku publikacji w różnych czasopismach naukowych, co może
ułatwić podjęcie decyzji co do podziału Twego raportu na części.
VI. Literatura uzupełniająca
Wstęp do fizyki ciała stałego, Charles Kittel
Fundamentals of Semiconductors, Peter Y. Yu, Manuel Cardona
https://www.pveducation.org/
VII. Pytania i zadania definiujące wymagania do ćwiczenia
Problem 1. Jakie parametry powinien mieć materiał, z którego zbudowana jest warstwa aktywna
ogniwa słonecznego?
Problem 2. Napisz wzór opisujący prądy płynące w ogniwie. Wyjaśnij symbole i zilustruj
odpowiednim rysunkiem.
Problem 3. Jaka będzie moc generowana przez ogniwo gdy przyłożymy do niego napięcie VOC?
Problem 4. Jakie zagrożenie wiąże się z instalacją wielu paneli fotowoltaicznych połączonych
ze sobą szeregowo?
Problem 5. Dane są trzy półprzewodniki o przerwach energetycznych równych 0,5 eV, 1,5 eV
oraz 3 eV. Który z półprzewodników będzie tworzył lepszą warstwę aktywną do zastosowania
w ogniwie?
VIII. DODATEK
Dioda półprzewodnikowa zbudowana jest z połączonych ze sobą dwóch rodzajów
półprzewodnika – jednego typu p (posiadającego nadmiar swobodnych dziur) oraz drugiego typu n
(posiadającego dominującą koncentrację swobodnych elektronów). Przy połączeniu tych
półprzewodników część swobodnych elektronów z materiału typu n dyfunduje w stronę obszaru
typu p, gdzie rekombinuje z dziurami. Na styku materiałów tworzy się przez to warstwa
zjonizowanych atomów pozbawiona swobodnych nośników. Po stronie typu p będą to jony ujemne
(gdyż dołączyły się do nich elektrony z typu n), zaś po stronie typu n będą to jony dodatnie (gdyż
pozbyły się elektronów). Schematycznie sytuacja ta przedstawiona jest na rysunku 7. Kulki oznaczają
tam zjonizowane atomy z odpowiednim znakiem. Warstwę tą nazywamy warstwą zaporową (lub
zubożoną). Tworzy ona odpychający potencjał elektrostatyczny, dzięki czemu uniemożliwia dalszy
przepływ prądu przez złącze. Przykładając dodatni potencjał do warstwy typu p, zwiększamy siłę
przyciągania elektronów do obszaru typu p. Zmniejszamy w ten sposób szerokość warstwy
zubożonej, co zwiększa szansę na transport ładunku przez złącze. Odwrotną sytuację zaobserwujemy
jeżeli przyłożymy napięcie ujemne. W tej sytuacji warstwa zubożona zostanie poszerzona, co jeszcze
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 8
bardziej zwiększa potencjał odpychający, uniemożliwiając przepływ prądu. Tak więc szerokość
warstwy zubożonej ma kluczowe znaczenie przy badaniu prądu płynącego przez złącze.
Rysunek 7. Schematyczny rysunek złącza p-n w przypadku a) braku przyłożonego napięcia, b) po przyłożeniu napięcia
w kierunku zaporowym oraz c) po przyłożeniu napięcia w kierunku przewodzenia. Widoczne jest poszerzanie
lub zwężanie obszaru warstwy zaporowej pod wpływem napięcia.
Dioda ma więc bardzo interesującą z punktu widzenia zastosowań właściwość – przewodzi
prąd w jednym kierunku (po przyłożeniu napięcia o odpowiedniej polaryzacji). Takie ustawienie
złącza p-n nazywamy polaryzacją w kierunku przewodzenia. Natężenie tego prądu w funkcji napięcia
ma charakter wykładniczy i jest opisywane równaniem Shockley’a:
𝐼(𝑉) = 𝐼0 (exp (𝑒𝑉
𝑘𝐵𝑇) − 1), (1)
gdzie I0 to prąd wsteczny, e – ładunek elementarny, V – przyłożone napięcie, kB – stała Boltzmanna,
T – temperatura. Gdy przyłożymy napięcie odwrotnie, złącze p-n będzie przewodzić bardzo mały
prąd, I0. Takie ustawienie nazywamy polaryzacją w kierunku zaporowym. Symbol diody
przedstawiono na rysunku 8. Bardziej szczegółowe informacje dotyczące procesów zachodzących
w złączu p-n znajdują się w DODATKU.
Rysunek 8. Symbol diody. Strzałka wskazuje kierunek przewodzenia.
Energetyczny model pasmowy jest używany w elektronice m. in. do wyjaśniania
przewodnictwa w ciałach stałych. Najważniejszym pojęciem tego modelu jest pasmo energetyczne,
czyli przedział energii, jaką mogą posiadać elektrony w przewodniku. Istnienie ciągłego widma
energetycznego jest związane z oddziaływaniem na siebie poszczególnych atomów (jest to zbiór
a) b)
c)
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 9
bardzo blisko położonych widm liniowych), natomiast występowanie obszarów zabronionych
wynika z warunków nakładanych na periodyczność funkcji falowej elektronów. Materiały
półprzewodnikowymi nazywamy takie, w których obserwujemy przerwę energetyczną pomiędzy
pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia (rys. 9). Nośniki ładunku (np. elektrony) w ogromnej
większości nie są w takich materiałach swobodne, a więc nie są zdolne do efektywnego transportu.
Stąd też materiały takie cechują się zdecydowanie niższym przewodnictwem niż metale. W metalach
pasmo walencyjne i przewodzenia zachodzą na siebie, co sprawia, że bardzo wiele nośników ładunku
jest nośnikami swobodnymi, czyli zdolnymi do poruszania się w całej objętości materiału.
Półprzewodniki dzielimy na takie, które posiadają dominującą koncentrację elektronów w swojej
objętości – typ n, takie posiadające dominującą koncentrację dziur w swojej objętości – typ p oraz
takie, w których istnieje równowaga obu typów nośników – typ i.
Rysunek 9. Schemat pasm energetycznych a) metalu oraz b) półprzewodnika
Złącze p-n tworzy się poprzez zetknięcie ze sobą półprzewodnika typu p i półprzewodnika
typu n. Na rysunku 10. przedstawiono pasma energetyczne obu typów półprzewodnika wraz
z zaznaczeniem tzw. poziomu Fermiego. Poziom Fermiego określa pracę, którą należy wykonać
by dodać dany nośnik ładunku do układu, a więc jest średnią energią elektronu w danym materiale.
Półprzewodniki typu p posiadające dominującą koncentrację dziur, a więc niedobór elektronów mają
poziom Fermiego położony blisko wierzchołka pasma walencyjnego. Analogicznie, półprzewodniki
typu n mają poziom Fermiego blisko dna pasma przewodnictwa. Przy połączeniu obu materiałów
poziomy Fermiego wyrównują się, zaś granice pasm wzajemnie się przesuwają.
Rysunek 10. Schemat pasm energetycznych wraz z zaznaczonymi poziomami Fermiego a) półprzewodników typu p i n
przed połączeniem oraz b) po połączeniu – poziom Fermiego jest wspólny dla całego materiału, zaś pasma
półprzewodników są przesunięte
Oprócz zmiany położenia poziomu Fermiego, tak duże różnice w koncentracji powodują
dyfuzję nośników: elektrony z obszaru n dyfundują do obszaru p, oraz analogicznie dziury z obszaru
p dyfundują do obszaru n (rys. 11a). Powoduje to powstanie obszaru, w którym nie ma już
swobodnych nośników (tzw. obszar zubożony) a jedynie zjonizowane, nieruchome atomy. Prąd
dyfundujących nośników nazywany jest prądem dyfuzji (Idyf). Ponadto, zjonizowane atomy powodują
Ener
gia
ele
ktr
on
u
Pasmo przewodnictwa a)
Pasmo walencyjne
Pasmo
przewodnictwa b)
Pasmo walencyjne
EF
Typ n
EF
Typ p
Typ p
EF
Typ n a) b)
Dolna granica pasma
przewodnictwa
Górna granica
pasma walencyjnego
Pasmo wzbronione
POMIAR PARAMETRÓW OGNIW FOTOWOLTAICZYCH 10
powstanie wewnętrznego pola elektrycznego, które to wymusza ruch elektronów w stronę obszaru n,
a dziur w stronę obszaru p. Prąd, który powstaje dzięki temu mechanizmowi nazywamy prądem dryfu
(Idryf). W stanie równowagi termodynamicznej oba prądy kompensują się, stąd nie obserwujemy
żadnych makroskopowych przepływów ładunku przez złącze. Przykładając napięcie w stronę
zaporową powodujemy zwiększenie wewnętrznego pola elektrycznego, co prowadzi do zwiększenia
bariery potencjału, którą muszą pokonać nośniki (rys. 11b). W ten sposób zmniejszamy prąd dyfuzji.
Przyłożenie przeciwnego napięcia powoduje zaś obniżenie bariery oddzielającej oba regiony
(rys. 11c), co prowadzi do wykładniczego wzrostu przechodzących przez nią nośników. Wysokość
bariery potencjału nie wpływa zaś na natężenie prądu dryfu. Prąd płynący przez złącze opisuje
przybliżone równanie Schockley’a:
𝐼 = 𝐼𝑑𝑦𝑓 − 𝐼𝑑𝑟𝑦𝑓 = 𝐼𝑑𝑟𝑦𝑓 exp (𝑒𝑉
𝑘𝐵𝑇) − 𝐼𝑑𝑟𝑦𝑓 = 𝐼0 (exp (
𝑒𝑉
𝑘𝐵𝑇) − 1)
Z zależności tej wynika, że prąd po przyłożeniu napięcia w kierunku przewodzenia powoduje
wykładniczy wzrost prądu. Badając charakterystykę prądowo-napięciową złącza p-n otrzymamy
krzywą z rysunku 5.
Rysunek 11. Struktura pasmowa złącza p-n w czasie przyłożenia a) zerowego napięcia, b) napięcia w kierunku
zaporowym oraz c) napięcia w kierunku przewodzenia. Strzałki symbolizują wielkość prądów dyfuzji oraz dryfu dla
każdej z sytuacji
Opracowanie: Maciej Krajewski, Aneta Drabińska, październik 2020 r.
EF
VIN
Idryf Idyf
VIN + V
Idyf Idryf
EF
VIN V
Idyf Idryf
EF
a) b) c)
Typ p
Typ n
Typ p
Typ n
Typ p
Typ n
top related