Studiul efectului fotovoltaic1 Consideratii teoretice

Pentru nceput vom prezenta cteva consideratii asupra jonctiunii p n. a Considerm un cristal semiconductor de form paralelipipedic pe care impuricm, a a a l a dup o anumit lege, dinspre o fat cu impuriti donoare i dinspre fata opus cu ima a a at s a puriti acceptoare. cristal se formeaz dou regiuni, una de tip n, cealalt de tip p. at In a a a Sau pot alipite dou cristale semiconductoare impuricate diferit. ambele situatii a In purttorii majoritari din cele dou regiuni vor migra ctre regiunea unde sunt minoritari, a a a astfel c zona de contact a celor dou regiuni se formeaz o zon srcit de purttori a n a a a aa a a liberi, zon ce se numete Regiune de Sarcin Spatial, (RSS), i constituie elementul a s a a s fundamental al jonctiunii p n(Figura 1).

n

p

RSS

Figura 1. RSS ionii pozitivi din regiunea n, respectiv negativi din regiunea p, ce constituie In sarcin legat, dau natere unui cmp electric E, orientat de la regiunea n ctre regiunea p, a a s a a cmp ce se opune migrrii electronilor dinspre regiunea n, unde sunt purttori majoritari, a a a nspre regiunea p. Acest cmp va antrena purttorii minoritari din cele dou regiuni. a a a E Cmpului indus de sarcina legat corespunde o diferent de potential U0 = , unde a a i a d cu d am notat grosimea RSS. Actiunea acestei diferente de potential este similar unei a bariere de potential. Numai purttorii cu energia cinetic mai mare dect lucrul mecanic a a a efectuat de aceast diferent de potential, eU0 , vor putea escalada bariera de potential. a a In Figura 2 prezentm RSS cu cmpul electric ce ia natere ea, (a), concentratia golurilor, a a s n (b), concentratia electronilor, (c) i diferenta de potential U0 , corespunztoare cmpului s a a electric indus de sarcina legat, (d). a Dac aplicm o diferenta de potential din afar, Ua , de polaritate opus lui U0 altimea a a a a n barierei va scdea i ca urmare mai multi purttori majoritari vor putea trece peste barier. a s a a Spunem c jonctiunea pn a fost polarizat direct. Dac polaritatea diferentei de potential a a a aplicat este identic cu cea a diferentei de potential U0 atunci altimea barierei va crete a a n s i ca urmare mai putini purttori majoritari vor trece peste barier ( Figura 3). Spunem s a a c jonctiunea p n a fost polarizat invers. a a Vom considera acum un semiconductor omogen pe care cade un fascicul de lumin, a a crui intensitate scade dup legea Beer-Bouguer-Lambert pe msur ce ptrunde a a a a a n semiconductor. Absorbtia luminii va provoca generarea de purttori de sarcin. Viteza a a de generare a acestor purttori va scdea exponential cu ptrunderea material, iar a a a n faptul c are loc o generare neuniform de purttori va provoca difuzia lor profunzimea a a a n semiconductorului. Coecientii de difuzie ai electronilor i ai golurilor sunt diferiti, fapt ce s va produce o separare spatial a acestora. Electronii, cu mobilitate mai mare, vor ptrunde a a 1

mai mult semiconductor dect golurile astfel c suprafata iluminat a semiconductorului n a a a se ncarc pozitiv, iar suprafata neiluminat se a a ncarc negativ, a ntre cele dou suprafete a stabilindu-se un cmp electric orientat dup directia iluminrii. a a aRSS

p

n

a

b

c

U0

d

lp

ln

x

Figura 2.U x Ua 0,U0 U Ua 0,U0 Ua 0,U0 U

x lp ln

Figura 3. Aparitia unui cmp electric a ntr-un semiconductor omogen, iluminat, se numete efect s Dember. Nu vom prezenta aici teoria acestui efect, ci numai cteva aspecte calitative. a Cmpul electric este determinat de diferenta dintre uxul de difuzie al electronilor, rea spectiv al golurilor, uxuri determinate de intensitatea luminii. S analizm acum generarea purttorilor de sarcin a a a a ntr-o jonctiune pn care exist n a o RSS i un cmp electric, Ei , orientat dinspre regiunea n s a nspre regiunea p, jonctiune pe care o iluminm ( Figura 4.). a Sub actiunea luminii jonctiune se vor genera purttori de sarcin de neechilibru, iar n a a jonctiunea conectat a ntr-un circuit va da natere unui curent orientat dinspre regiunea p s nspre regiunea n provocnd anularea concentratiei exces a electronilor i a golurilor. a n s 2

Acest fenomen st la baza functionrii fotoelementelor p n i a convertizoarelor de a a s energie luminoas energie electric, aa numitele baterii solare, i poart numele de efect a n a s s a fotovoltaic. Acest efect se observ cazul iluminrii oricror contacte redresoare dintre a n a a un metal i un semiconductor i poate utilizat pentru studiul proprietilor acestora. s s at

p

Ei

n

Figura 4 Expresia curentului, I, ce ia natere circuit este s n qU I = I0 e kB T 1

(1)

unde q este sarcina electronului, U diferenta de potential de polarizare a fotocelulei, kB constanta lui Boltzmann, T temperatura la care se gsete celula fotovoltaic, respectiv a s a I0 curentul invers de saturatie. Celula fotovoltaic prezint o rezistent serie, Rs , datorit rezistentei electrice a ariei a a a a de contact, rezistentei regiunii bazei i a stratului difuzat sau depus, cu valori de ordinul s zecimilor de pn la civa , precum i o rezistenta paralel, Rp , datorit puntilor a a at s a a metalice ntre capetele jonctiunii i ale altor defecte de margine pe unde se pot scurge s purttori de sarcin untnd jonctiunea, cu valori de la cteva mii de la cteva zeci de a as a a a Figura 5 este prezentat schema echivalent a unei astfel de celule fotovoltaice, mii de . In a a pn la linia vertical a a a ntrerupt. a Inmultind ecuatia (1) cu U obtinem puterea electric, Pel , dezvoltat circuit, putere a a n ce variaz cu rezistenta de sarcin. Punnd conditia de maxim pentru Pel , (dPel /dU = 0), a a a obtinem valorile curentului, Im , i a tensiunii, Um , pentru care puterea debitat circuit, s a n concret, pe rezistenta de sarcin R, este maxim a a qUm qUm k T = I0 e B kB T

Im

(2)

3

2

Prezentarea instalatiei experimentale Se realizeaz un montaj conform cu schema electric din Figura 5 a aRs A V R

I Rp

Figura 5

3

Modul de lucru

1. Scopul lucrrii constituie determinarea rezistentei optime a unei fotocelule utia l liznd instalatia prezentat Figura 5. a a n 2. Se identic prtile componente ale instalatiei. a a 3. Modicnd rezistenta de sarcin, a a ntre valorile 20[] i 2920 [] cu pasul 100 [] se s ridic caracteristica curent-tensiune pentru trei valori, la alegere, ale iluminrii, propuse a a linia doi este trecut reperul de pe bancul pe care se poate deplasa celula Tabelul 1. In n fotovoltaic, iar linia a treia este trecut valoarea iluminrii corespunztoare acestei a n a a a pozitii. 4. Pentru ecare valoare a iluminrii se completeaz coloanele trei i patru ale unui a a s tabel ca cel de mai jos, Tabelul 2. 5. Pentru rezultatele corespunztoare primei distante se completeaz coloana a 5-a i a a s se determin rezistenta optim. continuare se msoara jurul acestei valori pentru a a In a n cte 10 valori, mai mici i mai mari, ale rezistentei electrice, valori ce se modic cu pasul a s a 10 [] i rezultatele se trec Tabelul 3. s n Tabelul 1 Nr. crt. d [cm] E [klx] 1 93 53 2 92,5 42,22 3 92 36 4 91 29 5 90 25 6 89 22 7 88 19,3 8 87 17 9 86 15 10 85,5 14 11 85 11,5 12 84 13,2 13 83 10 14 82 8,66 15 81 7,5

4

Prezentarea rezultatelor

1. Se completeaz coloana cinci ale tabelelor cu date experimentale. a 2. Se reprezint grac datele din coloana a cincea, Pel , functie de datele din coloana a n a doua, R, i se determin valoarea rezistentei Roptim pentru care puterea celulei este s a maxim, adic utilizarea ei se face conditii optime. a a n 3. Pentru ecare pereche Im , Um se calculeaz curentul invers de saturatie I0 . a

4

Tabelul 2 d= 1 Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 2 R 20 120 220 320 420 520 620 720 820 920 1020 1120 1220 1320 1420 1520 1620 1720 1820 1920 2020 2120 2220 2320 2420 2520 2620 2720 2820 2920 3 U [mV] [cm] 4 I [A] 5 Pel [W]

I0 =

[A]

5

Tabelul 3 d= 1 Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 2 R 3 U [mV] [cm] 4 I [A] 5 Pel [W]

6

Tabelul 2 d= 1 Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 2 R 20 120 220 320 420 520 620 720 820 920 1020 1120 1220 1320 1420 1520 1620 1720 1820 1920 2020 2120 2220 2320 2420 2520 2620 2720 2820 2920 3 U [mV] [cm] 4 I [A] 5 Pel [W]

I0 =

[A]

7

Tabelul 2 d= [cm] 1 Nr. crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 2 R 20 120 220 320 420 520 620 720 820 920 1020 1120 1220 1320 1420 1520 1620 1720 1820 1920 2020 2120 2220 2320 2420 2520 2620 2720 2820 2920 3 U [mV] 4 I [A] 5 Pel [W]

I0 =

[A]

8