Материал: LS-Sb92720

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

НА ОСНОВЕ КРЕМНИЯ

Методические указания к практическим занятиям по дисциплине

«Метрология тонкопленочных солнечных модулей и энергоустановок»

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2013

1

УДК 538.9

Компьютерное моделирование солнечных элементов на основе кремния: методические указания к практическим занятиям по дисциплине «Метрология тонкопленочных солнечных модулей и энергоустановок» / сост.: В. П. Афанасьев, А. С. Гудовских. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 40 с.

Содержат описание подходов к моделированию характеристик солнечных элементов на основе кремния. Приведены примеры использования специализированного программного обеспечения для моделирования основных характеристик солнечных элементов на основе аморфного гидрогенизированного кремния.

Предназначены для студентов направления 200100 «Электроника и микроэлектроника», а также могут быть полезны инженерно-техническим работникам этой области знаний.

Утверждено редакционно-издательским советом университета

вкачестве методических указаний

©СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013

2

Введение

Растущее потребление ископаемых источников энергии, запасы которых ограничены, а также ухудшение экологии на Земле, особенно повышенный выброс двуокиси углерода, диктуют необходимость поиска альтернативы существующим источникам энергии. Особенно актуальным является использование возобновляемых источников энергии, в первую очередь солнечного излучения. Фотоэлектрическое преобразование солнечной энергии является наиболее перспективным направлением возобновляемой энергетики. Солнечные батареи являются основным источником электроэнергии на космических аппаратах и получают все более широкое применение на Земле. Мировой рынок наземных солнечных фотоэлектрических систем с 2000 г. растет в среднем на 30 % в год. Это намного больше, чем для большинства других отраслей промышленности. Данный сектор стал существенным экономическим фактором. Согласно некоторым оценкам, объем рынка фотоэнергосистем в 2020 г. превысит 50 ГВт в год при стоимости более $ 100 млрд в год, т. е. за 15 лет объем рынка увеличится в 50 раз. Однако развитие солнечной энергетики требует постоянного совершенствования характеристик фотопреобразовательных устройств, важнейшим параметром которых является эффективность преобразования солнечной энергии.

Для решения этой проблемы необходим комплексный поиск как конструктивных, так и технологических подходов, способных привести к значительному повышению эффективности преобразования солнечной энергии в электрическую. Такой поиск может вестись как экспериментальными средствами, так и с использованием методов математического моделирования. В последние годы в связи с бурным развитием средств вычислительной техники использование моделирования при решении задач оптимизации конструкций и более детального анализа полученных результатов электрофизических измерений представляется наиболее эффективным.

3

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Преобразование энергии света в электроэнергию с использованием полупроводниковых фотопреобразователей с p– n-переходом основано на рождении электрон-дырочных пар при поглощении фотонов и разделении разнополюсных носителей тянущим полем p– n-перехода. Вольт-амперные (нагрузочные) характеристики (ВАХ) таких преобразователей (рис. 1.1) характеризуются напряжением холостого хода (Vос), током короткого замыкания (Jsc) и коэффициентом заполнения вольт-амперной характеристики (FF), определяемым как

FF = Pмр = VмрJмр ,

Voc Jsc VocJsс

где Pмр – максимальная мощность; Vмр – напряжение в точке максимальной мощности; Jмр – ток в точке максимальной мощности.

В свою очередь, коэффициент полезного действия (КПД) солнечного элемента, или эффективность преобразования солнечного излучения, может быть выражен как

η = Pмр = FFVосJsc ,

Pin Pin

где Pin – интенсивность падающего излучения.

4

Другой важной характеристикой солнечных элементов является спектральный диапазон преобразования солнечной энергии – спектральная характеристика. Спектральная чувствительность SR (λ) показывает, какое количество фотонов с различной длиной волны вносят вклад в ток короткого замыкания. Она определяется током короткого замыкания Isc (λ) при определенной фиксированной длине волны света, нормированным на максимально возможный ток. Внешняя спектральная чувствительность определяется как

где s – затенение; r (λ) – коэффициент отражения; f (λ) – поток (количество фотонов определенной длины волны, падающих на единичную площадь за единицу времени); α (λ) – коэффициент поглощения; Wopt – оптическая

толщина солнечного элемента (зависит от длины волны). Внешняя спектральная чувствительность определяется экспериментально, внутренняя определяется вычислением, с учетом знания всех входящих в неё величин. Ток короткого замыкания связан со спектральной чувствительностью как

Isc = ∫λ SRext (λ) f (λ) dλ .

Таким образом, спектральная характеристика солнечного элемента и то, как она соотносится со спектром солнечного излучения, во многом определяют его КПД. Так, на рис. 1.2 схематически изображены спектры преобразования солнечной энергии с помощью однопереходного солнечного элемента на основе кремния и трехпереходного элемента GaInP/GaAs/Ge. Из рисунка видно, что с помощью трехпереходного солнечного элемента удается более эффективно преобразовать спектр солнечного излучения, главным образом за счет меньших потерь на термолизацию носителей заряда.

В принципе, принимая ряд определенных допущений и приближений, возможно с помощью аналитических выражений проводить теоретический расчет ВАХ и спектральных характеристик. Однако, когда необходимо рассчитать сложные многослойные структуры, содержащие также дефектные слои, в частности аморфные полупроводники, расчет становится невозможен без численных методов. При проведении расчетов с использованием

5