Centrale Fotovoltaice 3

8/13/2019 Centrale Fotovoltaice 3

1/20

Convertoare fotovoltaice

Expunerea a III-a


2/20

Efectul fotoelectric intern

• Conversia fotoelectrică a energiei foloseşteefectul fotoelectric intern (efectul fotovoltaic): – generarea unor perechi electron – gol într-un

material semiconductor, atunci când acestaeste supus radiaţiei unui flux luminos.

• Radiaţia luminoasă primită de la soare (o radiaţieelectromagnetică) poate fi reprezentată de un fluxde fotoni, fiecare fiind o particulă (de masă nulă)cu energia, Wf: → – [h]=J/s- constanta lui Planck; – ν – frecventa radiaţiei solare

• Ciocnirea unui foton incident cu atomii reţeleicristaline poate avea două efecte: – Energia fotonului este transmisă reţelei

cristaline sub formă de energie termică; – Energia fotonului serveşte la extragerea unui

electron dintr-un atom al reţelei cristaline asemiconductorului. Electronul eliberatreprezintă o sarcină liberă, iar sarcina pozitivă rezultată poate fi ocupată de unelectron al atomilor vecini şi astfel,deplasarea manifestându-se ca a unui gol pozitiv mobil.

34106254 ,6 h

hW f

Fig. 3.1


3/20

Generarea are loc dacă: hν>Wi unde: Wi – este o mărime caracteristică a fiecărui material semiconductor denumităenergie interzisă.

• Efectul fotoelectric intern are drept consecinţăconversiunea fotoelectrică a energiei numai dacă

are loc în regiunea de barieră a unei joncţiunisemiconductoare p – n .• Analiza acestui efect denumit şi fotovoltaic

presupune o analiză a conducţiei însemiconductoare şi a funcţionării unei joncţiunisemiconductoare p – n.

• 2) Conducţia electrică • Conducţia electrică într-un semiconductor se va

aborda pe baza evaluării stării energetice aelectronilor din material. – Aceştia ocupă, în funcţie de energia lor,

anumite benzi energetice. – Într-un semiconductor pur, numit

semiconductor intrinsec, ocuparea în ordinecrescătoare a nivelurilor energetice permisede către electronii atomilor reţelei cristalineduce la rezultatul că, la temperatura T=0gr.K, există o ultimă bandă energetică completocupată – bandă de valenţă – separată prinaşa numita bandă interzisă, de o bandăenergetică complet liberă – bandă deconducţie (figura 3.2→).

Fig. 3.2


4/20

La temperaturi absolute nenule T > 0 K

• Agitaţia termică a reţelei cristaline face caunor electroni – extrem de puţini – din banda de valenţă să capete o energie criticămai mare decât amplitudinea benziiinterzise, suficientă pentru ca să treacă în banda de conducţie, lăsând astfel un locgol în banda de valenţă (figura 3.3).Materialul semiconductor fiind înansamblu neutru electric, concentraţiile purtătorilor de sarcină electrică liberi – electroni (negative) şi goluri (pozitive)

sunt egale.• Materialele izolante prezintă acelaşi tip de

structură de benzi energetice ca asemiconductoarelor. Deosebirea întresemiconductoare şi izolatoare este dată dediferenţele mari între benzile Ei : 1 – 2 V

la semiconductoare şi > 5V la izolatoare.Astfel, la o temperatură ambiantă de 300Kla semiconductoare intrinseci apare unnumăr mic de perechi electron – gol, darnu există nici un purtător de sarcină laizolatori.

Fig. 3.3


5/20

A. Semiconductoare dopate cu impurităţi din grupa a V-a de tip N (donoare),la temperatura T0 = 0K

Impurităţile determină apariţia în

banda interzisă, în apropierea benziide conducţie, de regulă, a unorniveluri energetice ocupate deelectroni →

Fig. 3.4


6/20

B. Semiconductoarele dopate cu impurităţi acceptoare (bor , aluminiu)- din grupaa III-a acceptoare

• Se face simţită prezenţa acestor impurităţi prin apariţia în banda interzisă, în apropierea benzii de valenţă, de regulă, a unor niveluri energetice libere de electroni.→

Fig. 3.5


7/20


8/20

A. Semiconductoare de tip P, la temperatura absolută nenulă

T >0K

• La semiconductorul de tip P, latemperaturi absolute nenule T > 0K,electronii din banda de valenţă au nevoiede o energie mult mai mică pentru aocupa nivelurile acceptoare libere decâtpentru a trece în banda de conducţie şi amanifesta drept electroni liberi însemiconductor (figura 6.4). În consecinţă,pe seama agitaţiei termice a reţeleicristaline, la temperatura ambiantăpractic toate nivelurile acceptoare suntocupate de electroni proveniţi din bandade valenţă, lăsând atomii acceptori caioni negativi ficşi şi aducând un surplusde goluri “libere” în banda de valenţă.

• În consecinţă, in semiconductorul P, înansamblu neutru din punct de vedereelectric, există purtători de sarcină

electrică liberi şi sarcini fixe: existăpurtători de sarcină majoritari – goluri – formaţi prin ionizarea atomilor acceptorişi sarcini negative fixe ale ioniloracceptori; apar şi perechi electron – golformate prin generare termică.

• FIG.→

Fig. 3.7


9/20

Concluzie• Deoarece concentraţia impurităţilor donoare

sau acceptoare este neglijabilă în raport cuconcentraţia atomilor reţelei cristaline a unuisemiconductor, interacţiunea primară a radiaţieicu substanţa este practic neafectată de

prezenţă impurităţilor. Efectul fotoelectric intern,adică generarea perechilor electron – gol, areloc atunci când un electron de valenţă primeştede la un foton incident energia >Wi

•


10/20

3. Joncţiunea p – n

• Joncţiunea p – n reprezintă suprafaţa de separaţie dintredouă regimuri semiconductoare de tip p respectiv de tip n ale unui monocristal semiconductor, precum şi regiunileadiacente suprafeţei de separaţie.

• La temperatura T0 = 0K regimurile P şi N sunt fiecare peste tot neutre electric. La temperatura T > 0K purtătorii

de sarcină electrică liberi majoritari din domeniile P şi Nvor difuza dintr-o regiune în alta: electronii majoritari dinregiunea N difuzează în regiunea P (în care electronii suntminoritari) iar golurile majoritare în regiunea P difuzeazăîn regiunea N (unde golurile sunt minoritare); procesul dedifuziune este puternic, mai ales în regiunea de trecere.Difuzia electronilor din regiunea N în P lasănecompensată sarcina pozitivă fixă a ionilor donori, înregiunea de tip N şi aduce un surplus de sarcină negativă

în regiunea P. similar, difuzia golurilor majoritare dinregiunea P în regiunea N lasă necompensată sarcinanegativă fixă a ionilor acceptori în domeniul P şi aduce unsurplus de sarcină pozitivă în regiunea P.

• Scăderea concentraţiei purtătorilor majoritari este foarteaccentuată în regiunea din care pleacă, iar creşterea

purtătorilor minoritari adusă de ei în regiunea în careajung nu este însemnată, din cauza recombinărilor cu

purtătorii opuşi majoritari întâlniţi în domeniul de tip

opus. Aceasta face ca în jurul suprafeţei de separaţie să seformeze o zonă de trecere, + în regiunea de tip N şi – înregiunea de tip P cu sarcina spaţială reprezentată aproapeîn majoritate de sarcinile fixe ale ionilor donori în N şiacceptori în P. Regiunea cu sarcină spaţială din jurul

joncţiunii propriu – zise este astfel un domeniu sărăcit în purtătorii de sarcină electrică liberi.

• Sarcina din regiunea de trecere determină câmpul care seopune difuziei în continuare a purtătorilor majoritari şifavorizează deplasarea purtătorilor minoritari, dar aceştiasunt în număr redus, deci efectul este redus.

Fig. 3.8


11/20

4. Polarizarea directă a joncţiunii p – n.

• Electrodului conectat la regiune de tip Pi se aplică polaritatea unei surseexterioare ue (u > 0, considerând sensul+ de la regiunea de tip P – N). Aceastătensiune u este opusă tensiuniiimprimate de contact UPN, bariera depotenţial este micşorată chiar cuvaloarea tensiunii aplicate, la valoareaUPN – u (figura 6.5) ceea ce conduce lamicşorarea câmpului imprimat decontact (Ec) cu cel corespunzătortensiunii aplicate din exterior, E.

• Efectele barierei de potenţial sunt

micşorate, purtătorii majoritari sedeplasează şi formează un curentelectric important prin joncţiune

Fig. 3.9


12/20

Polarizarea inversă • La polarizarea inversă (fig. 6.5 C) între

electrozi se aplică o tensiune cupolaritate + la regiunea N şi – laregiunea de tip P (u > 0). Tensiunea u

aplicată va fi în acelaşi sens cutensiunea imprimată de contact UPN,rezultând o tensiune imprimată UPN +u mărită, aplicată în sensul lui UPN,care contribuie la mărirea câmpuluiimprimat de contact: . Efectul va fi demărire a curenţilor purtătorilor

minoritari dar până la o limită – curentlimită de saturaţie, deoarece numărulpurtătorilor minoritari este limitat; înacelaşi timp sunt puternic reduşicurenţii purtătorilor majoritari.

• În consecinţă, la polarizarea inversă,prin joncţiunea semiconductorului

circulă, în sens invers, un curentelectric nesemnificativ.• Dispozitivul prezentat este o diodă

semiconductoare.

Fig. 3.10


13/20

Caracteristica diodei

• Caracteristica tensiune – curent, V – I, aunei diode semiconductoare esteinfluenţată mai ales de procesele care au

loc în regiunea de barieră, la rândul lorinfluenţate de gradul impurificării cuelemente acceptoare şi donoare precum şide suprafaţa de separaţie dintre domeniileP şi N.

• Expresia folosită a caracteristicii V – I aunei diode este:

• Unde i – intensitatea curentului electric însens direct prin joncţiune; U – tensiuneaaplicată în sens direct joncţiunii P – N; I0 – intensitatea curentului electricinvers de saturaţie al joncţiunii;

• A – constanta numerică de ordinulunităţilor (în funcţie de gradul dopării cuimpurităţi); UT – tensiunea termicăechivalentă temperaturii de funcţionare:

UT=kT/e

• K = 1,38049 ∙10-23 J/grad -constanta lui Boltzmann; e = 1,60209 ∙ 10-19 C – sarcina electronului.

• Caracteristica diodei

1eIi TAU

U

0d

Fig. 3.11


14/20

5. Comportarea semiconductorului P – N la iluminarea cu o radiaţieelectromagnetică

• Radiaţie electromagnetică de frecvenţă susceptibilă a determinamanifestarea unui efect fotoelectric intern în semiconductor: Fig.→

• Dacă radiaţia electromagnetică generează o pereche electron –

gol în regiunea neutră (P sau N) atunci purtătorii de sarcină liberirezultaţi sunt supuşi unui proces lent de difuziune, iar purtătoriide sarcină minoritari se combină rapid cu purtătorii majoritariprezenţi în regiunea respectivă, acumulând astfel efectulgenerării.

• Dacă încă, generarea unei perechi electron – gol are loc înapropierea joncţiunii P – N (în regiunea barierei de potenţial),unde purtătorii majoritari sunt aproape absenţi, atunci electronulşi golul sunt instantaneu separaţi de câmpul electric imprimatprezent şi împinşi, fiecare, către regiunea în care sunt majoritari:golurile către P şi electronii către N.

• Odată ajunşi în regimurile neutre, aceşti purtători în excesdifuzează către contactele regimurilor respective, determinândprin semiconductor un curent electric generat, de intensitate Ig, în sensul N P (figura → ).

• Efect fotovoltaic activ – generarea energiei electrice pe seamaenergiei radiante incidente.

• Structura descrisă este, de fapt, o diodă semiconductoare. Dacăla bornele elementului astfel descris se conectează un receptor(un rezistor de exemplu) închiderea curentului generat prinacesta determină apariţia unei tensiuni între bornele diodei,

orientat în sens direct, adică dinspre P

N. În această situaţiedioda semiconductoare conduce un curent direct, id, în sensinvers curentului Ig. Curentul net prin structura analizată i va fi:i=Ig-id

• Ig, pentru o structură dată, depinde de fluxul radiant incident, iarid depinde de tensiunea ud la bornele ei, adică de regimul defuncţionare.

• Structura prezentată constituie cel mai simplu generatorfotoelectric sau generator fotovoltaic.

Fig. 3.12


15/20


16/20

Comentarii

• În afară de prezenţa unui generator de curent Ig şi de o diodă semiconductoare parcursă de curentul id (fig. 6.7.a), în reprezentarea schemei echivalente a

generatorului fotoelectric trebuie să ţinem seama de diferenţa între tensiunea udaplicată direct joncţiunii P – N şi tensiunea u de la bornele diodei este o diferenţădeterminată de o rezistenţă echivalentă r a regimurilor semiconductoare neutre, P şi N. Rezistenţa de pierderi RP între borne, prin startul izolant protector al structurii,este mult mai mare ca rezistenţa de sarcină R.

• Schemei echivalente din figura 6.7 a, ii corespunde caracteristica din figura 6.7 b şiecuaţia:

• Pentru construirea caracteristicii se poate folosi, pentru fiecare pereche (u, i) o

procedură iterativă: • , Care poate fi oprită atunci când ameliorarea relativă a soluţiei scade sub un prag

admis:

1eIIi Ti

AU

r u

0g

1)(

)1(

0T

ni

AU

r u

g e I I ni g I i )0(

)()1()( n

M

n

M

n

M i g ii


17/20

Rescrierea ecuatiei- ca u(i)

T

i

AU

r u

g e I i I I

00

T AU

riu

g e I I I i

00

00

1ln I

i

I

I

AU

r u g

T

i

0

0

00

1ln I

irI

I

i

I

I AU u

g

T

Alura caracteristicii:o porţiune curentul este practic constant pe o

plajă a tensiunii la borne, urmată de o porţiune de descreştere foarte rapidă a

curentului prin borne până la anularea sa.În apropierea curentului de scurtcircuit

(a valorii maxime a curentului) caracteristicau(i)

se calculează cu valori mai dese şi mai rare pemăsura reducerii curentului.

Fig. 3.14


18/20

Schema simplificata echivalenta- se renunta la r

• Ecuatiile corespunzatoare:

• Functionarea in scc.

10

T AU

u

g e I I i

10

T AU

riu

g

e I I i

00

1ln I

i

I

I AU u

g

T

0u S u I i 0

10T

S

AU

I r

g S e I I I

1)(

)1(

0T

nS

AU

rI

g S e I I n I g S I I )0(

când R = 0,

care poate fi rezolvată printr -un procedeu iterativ:

,

Fig. 3.15


19/20

00 U u i

1ln1100

0

0

0

00

I

I AU U e I

I e I I

g

T AU

U

g AU

U

g T T

10

T AU

u

g e I I i

g S u I I i 0

0

00 1ln I

I AU U u g

T i

Funcţionarea în gol (i = 0 când R ∞) se obţine pentru tensiunea de mers în gol

ecuaţia:

Din ecuaţia simplificată:

Pentru u = 0


20/20

Generatorul fotoelectric – puteri şi randament.

• 1) În studiul unui sistem de conversie a energiei sunt importante valori

caracteristice pentru funcţionarea la puterea electrică maximă cedată pe laborne.• Condiţia de maxim o deducem din: • Valoarea tensiunii pentru care puterea la borne este maximă: • De aici se ajunge la o ecuaţie iterativă: • Care poate fi abordată pornind de la o valoare iniţială . Procesul iterativ

poate fi oprit atunci când ameliorarea relativă a soluţiei scade sub un prag. • Cu valoarea UM astfel determinată, ca puterea stabilită sa fie maximă se

obţine curentul IM debitat în aceste condiţii: • Cu valoarea lui UM determinată se obţine: • Valoarea rezistenţei RM a rezistorului căruia i se transmite puterea electrică

maximă: • şi

• Observaţii: • Lucrând tot cu ecuaţia aproximativă a caracteristicii u(i); puterea electrică

cedată pe la borne poate fi explicitată în funcţie de curent.• Condiţia de maxim fiind: • Se determină: şi se poate demonstra că relaţiile sunt echivalente.

Documents

Centrale Fotovoltaice 3