В первом приближении полагают, что теплообмен, осуществляемый за счет теплопроводности, конвекции и излучения, пропорционален разности температур. Очевидно, что эта гипотеза приемлема в большинстве случаев для небольших разностей температур. Таким образом, можно установить линейную зависимость падающей энергии от разности температур, так как равновесная температура приемника определяется балансом энергии, поступающей извне и теряемой в окружающую среду путем теплопроводности, конвекции и излучения приемной поверхности.
Для измерения прямого излучения Солнца используются пиргелиометры, приемная поверхность которых всегда перпендикулярна потоку. Приборы такого же типа для повседневных наблюдений называются также актинометрами.
Приборы для измерения суммарного солнечного излучения называются пиранометрами. В качестве приемников обычно употребляются термоэлементы, расположенные в горизонтальной плоскости.
В солнечной фотоэнергетике солнечное излучение превращается в электроэнергию полупроводниковыми преобразователями, обладающими селективной спектральной чувствительностью. В связи с этим определение как прямого, так и полного потоков солнечного излучения должно осуществляться не с помощью пиргелиометров и пиранометров, а с помощью эталонных солнечных элементов, с такой же селективной спектральной чувствительностью, как у измеряемых элементов и батарей. Конструкция и градуировка эталонных солнечных элементов будут подробно рассмотрены в гл. 3. Здесь же следует указать, что от соответствия спектральных чувствительностей эталонного и измеряемых солнечных элементов и батарей будет решающим образом зависеть точность определения КПД и выходной мощности фотоэнергетических устройств.
При измерениях в прямом потоке исследуемые и эталонные элементы должны быть ориентированы на Солнце с точностью 2°, причем их поле зрения следует ограничить углом 10°. Измерения можно проводить при плотности потока излучения (определяемой по эталонному элементу) не менее 750 Вт/м2 при m≤3.
При измерениях в полном потоке измеряемый и эталонный элементы ориентируются на Солнце с точностью ±5° и устанавливаются под углом к горизонтальной плоскости не более 60°. Плотность потока излучения должна быть не менее 800 Вт/м2, атмосферная масса — не более 2. Мутность атмосферы, облачность и альбедо подстилающей поверхности контролируются в период измерений по общему действию рассеянного излучения на солнечные элементы: отношение тока эталонного элемента при измерениях в полном потоке, к току, измеряемому в прямом потоке, не должно превышать 1,3. Поле зрения эталонного элемента при измерении плотности прямого потока необходимо снизить до 10°.
Важность стандартизации спектра солнечного излучения и состава атмосферы при измерениях можно проиллюстрировать следующим примером: при одинаковой атмосферной массе 1,5 и безоблачном небе в зависимости от влажности и количества аэрозольных частиц плотность прямого потока солнечного излучения может изменяться, как показывают данные натурных измерений, от 943 до 616 Вт/м2.
Глава 2
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ, КОНСТРУКЦИЯ
И ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Оптические и электрофизические свойства полупроводниковых кристаллов и слоев
Около тридцати лет прошло с момента проведения первых работ, положивших начало современной фотоэлектрической энергетике. Эти исследования, в свою очередь, опирались на стройную теорию фотоэлектрических явлений в полупроводниках, созданную в 30—40-е годы нашего столетия. В СССР развитие этого направления физики полупроводников определили работы академика А. Ф. Иоффе и его школы, углубившие наше понимание природы фотопроводимости и фотоэлектрических явлений в полупроводниках и полупроводниковых р-n-переходах[1].
Вполне закономерно, что созданию солнечных элементов предшествовали детальное изучение оптических свойств полупроводников и исследование процессов взаимодействия света с веществом внутри полупроводникового материала, приводящих к появлению избыточных, неравновесных носителей заряда.
Для понимания оптических и фотоэлектрических свойств солнечных элементов необходимо хотя бы кратко рассмотреть качественные особенности зонной структуры полупроводников, ее отличие от электронного строения металлов и изоляторов и основные оптические характеристики полупроводниковых веществ. Полезно также описать методы исследования оптических, структурных и электрофизических параметров отдельных полупроводниковых слоев элементов. Эти параметры в значительной мере определяют как характеристики, так и эффективность солнечных элементов и батарей.
При образовании твердого тела, например кристалла полупроводника, атомы настолько сближаются друг с другом, что их внешние электронные оболочки перекрываются.
Вместо индивидуальных орбит отдельных атомов появляются коллективные орбиты, и подоболочки атомов объединяются в зоны, единые для всего кристалла. Характер движения электронов при этом изменяется кардинальным образом: электроны, находящиеся на определенном энергетическом уровне одного атома, получают возможность без затраты энергии переходить на подобный же уровень соседнего атома и тем самым свободно перемещаться вдоль всего кристалла.
Внутренние оболочки в изолированных атомах, а следовательно, и в кристаллах целиком заполнены. Самая же верхняя зона, образованная из уровней, на которых располагались валентные электроны, не всегда заполнена до конца. Электропроводность кристаллов, их оптические и многие другие свойства в основном определяются степенью заполнения валентной зоны и расстоянием от нее до самой верхней зоны, получившей название зоны проводимости. Электроны, попавшие из валентной зоны, например за счет теплового или оптического возбуждения, в зону проводимости, могут принимать участие в переносе электрического тока. Перемещение электронов на освободившиеся места в валентной зоне создает встречное движение положительных зарядов, называемых дырками. Положительный заряд всегда образуется в валентной зоне после ухода электрона, ведь до этого зона была электронейтральпой.
Вещества, у которых валентная зона заполнена целиком, а расстояние до следующей зоны велико, называются диэлектриками.
Для металлов характерно другое энергетическое строение: валентная зона заполнена частично либр перекрывается со следующей свободной зоной, зоной проводимости.
Если же у вещества валентная зона заполнена целиком, но энергетическое расстояние до зоны проводимости мало (условно — менее 2 Эв), то такие вещества называют полупроводниками. Электропроводность и другие свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий, особенно от температуры Т. C повышением T экспоненциально растет число тепловых перебросов электронов через запрещенную зону с энергетической шириной Eg, разделяющую валентную зону и зону проводимости, увеличивается число электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, а электропроводность полупроводника σ возрастает по закону
σ=40exp (-Eg/2KT),
где К — постоянная Больцмана; A0 — константа, характеризующая данное вещество.
Электропроводность металлов в силу постоянства концентрации свободных носителей определяется температурной зависимостью подвижности электронов и с ростом температуры медленно падает.
Если представленное выше соотношение прологарифмировать, то оно примет следующий вид:
lnσ=ln40-Еg/2КТ.
1
Общепринятое сокращенное обозначение электронно-дырочных переходов, представляющих собой области в кристаллах, где контактируют слои с электронной (n-типа) и дырочной (p-типа) проводимостью. Тип проводимости определяется тем, какие носители — отрицательно или положительно заряженные, электроны или дырки — являются основными в данном образце полупроводника. Изменяется тип проводимости обычно путем соответствующего легирования донорной или акцепторной примесью, причем этот процесс может быть осуществлен локально, для отдельных мест или слоев полупроводниковой пластины, в целом легированной другой примесью.