CC BY
20
УДК 621.383.51
е.я. швець, а. зубко
ВДОСКОНАЛЕННЯ ЕКСПРЕСНО1 МЕТОДИКИ I АПАРАТУРИ ВИЗНАЧЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ПАРАМЕТР1В СОНЯЧНИХ ЕЛЕМЕНТ1В ВЕЛИКО! ПЛОЩ1
Розвиваеться методика розв'язання задачi автоматизованого експресного формуван-ня масиву даних елекгричних парамегр1в сонячних елеменпв велико! площ1 на щеалзованих
структурах Al/n - Si/p - Si/p+ - Si/ITO , Al/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO ,
Al/PcAl/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Си/РсСи/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO ,
Cu/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Cu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO . Розроблясться прямий анал-ггачний метод визначення електричних характеристик структур, за яким пiдвищення фотоструму (Iph) на 14 - 17 %, якост приладу (n) на 2 %, фактора заповнення (ff ) на 3 % та
зниження послщовного опору (Rs) на 14 - 34 %, шунтуючого опору (Rsh ) на 8 - 16 % за умов формування антиввдбиттевого покриття на основi пористого кремнiю на сонячному елемент!
1.Вступ
Контроль готових прилад!в сонячних елеменпв (СЕ) ставить перед собою ряд вимог щодо надшност та стабшьност !х роботи, тобто швидкого визначення !х основних пара-метр!в i вщбраковки пристро!в, що не вщповщають стандартам виробництва. Отже, розроб-ка доцшьних методик автоматизованого експресного формування масиву даних електричних характеристик СЕ велико! площ! надасть можливють гнучкого управлшня i контролю вихвдних та дюдних характеристик електричних параметрiв СЕ. Зокрема, дозволить здшсню-вати незалежний контроль вщповщносп продукци встановленим вимогам i гарантуе цю вщповщшсть споживачу. А така функщя вiдiграе важливу роль в технолопчних основах виробництва приладiв. Це стосуеться не тшьки фотоелектричних перетворювачiв, а i гене-раторiв струму (ГС), батарей велико! площ!, фотоелектричних модул!в при освiтленнi !х ксеноновими ¡мпульсними випромiнювачами на виробничому заводi або на експлуатуючих тдприемствах [1].
Зазвичай для визначення вихщних i дюдних характеристик СЕ треба провести вим!рю-вання св!тлових i темнових ВАХ структур свiтлопоглинаючою стороною приладу за умов змшювання св^лових характеристик при кожному вим!р! штенсивност свiтла ¡мпульсною лампою. При цьому також потр!бно контролювати температуру, штенсившсть освiтлення, змiнювати блок зразкових резисторiв. Також слщ звернути увагу на те, що перед початком роботи з! схемою треба проюстувати прилад з еталонним зразком. ус! щ операци потребу-ють автоматизацп процесу i застосування принцитв мшроконтроллерного керування, що у свою чергу потребуе формування шформацшних зв'язюв передач! вхщних i вихщних даних - аналогових i цифрових сигнал!в.
Деяю методи розрахунюв електричних параметр!в нескладш в застосуванш на портатив-них приладах, але вони обмежеш в розрахунках кшькома параметрами визначення, можуть розраховувати тшьки СЕ малих розм!р!в i мають досить велик! похибки вим!р!в вщ 2 до 10 % за вс!ею поверхнею СЕ [2]. Це повязано ¡з неоднорщнютю характеристик по пластин! внаслщок ди навколишнього середовища. Тому при штерпретаци результат отримують неточш дан!, що неприпустимо застосовувати у виробничих умовах, де яюсть приладу повинна бути постшною при всьому гарантшному термш використання СЕ. Таким чином, визначення послщовного i шунтуючого опор!в (Rs i Rsh ), фактора заповнення (ff ), струму навантаження (I0 ), струму короткого замикання (Isc), напруги холостого ходу (Uoc) i
максимально! потужност (Pm) потребуе бшьшо! to4hoctí po3paxyHKÍB для отримання дос-тсшрно! шформацп.
Як вщомо, якiсть приладу визначаеться втратами потужносп у реальному сонячному елементi, яю у свою чергу утворюються внаслщок пiдвищення послiдовного i зниження
шунтуючих опорiв (Rs i Rsh), оскшьки поряд Í3 фiксованими параметрами (щшьшсть струму насичення Js, фотострум Iph, струм навантаження I0 ), що згiдно з однодюдною моделлю СЕ входять у формулу розрахунку св^лово! ВАХ СЕ, послщовний i шунтуючий опори значно впливають на форму ВАХ i ефектившсть перетворення сонячного випромшю-
вання. Послщовний опiр Rs складаеться з перехщних опорiв метал - напiвпровiдник, об'емних опорiв кожно! з р- i n-областей СЕ, послiдовно включених опорiв контактних шарiв, а шунтуючий отр Rsh - зi стрyмiв витоку через нещеальний p-n перехiд i домшок в областi переходу. При цьому велике значення Rs зменшуе Isc, тодi як мала величина Rsh зменшуе Uoc. Так, для зменшення до 3 % долi втрат СЕ Rs квадратного сантиметра площi не
повинен перевищувати 0,5 Ом за умов Isc = 40 мА/см2 i Uoc = 0,6 В, а Rsh повинен бути бшьшим за 500 Ом за тими ж умовами [3]. Таким чином, важливють розробки методу розрахунку послщовного опору Rs i шунтуючого опору Rsh е суттевою для структур СЕ та реестрацп експресними методиками.
В лггературних джерелах для аналiзy послiдовного опору iснyе два основних напрямки:
1. Подання пристрою у виглядi електричного ланцюга, що складаеться з послщовно з'еднаних елементiв - резистивно! частини (розподiленого еквiвалента резистивних втрат) i генеруючо! частини з фотовольта!чних р-n переходiв.
2. Моделювання е^валентно! схеми, що мае багато ланок (чарунок) або !х комбiнацiю.
Для розрахунку даних параметрiв застосовують рiзнi моделi розподiленого опору, який
здшснюють аналiтичними та чисельними методами, хоча ршення задач в анал^ичному виглядi е бiльш корисними для одномiрних випадкiв i потребують розвитку. До них вщно-ситься визначення послщовного опору з використанням: похщно! вiд напруги по струму, трьох навантажувальних опорiв, коефiцiента заповнення, ку^в нахилу його ВАХ до осей координат, максимуму залежност ефективностi вщ кратностi концентраци сонячного вип-ромшювання, а також отримання параметрiв СЕ з використанням: площ пiд ВАХ i графшом потyжностi СЕ, розкладання рiвняння в ряд Тейлора [4,5]. Постае питання про точшсть похибок даних методiв розрахунку.
Враховуючи сказане, виникае нагальна потреба в ефективному автоматизованому вим-iрювальномy комплексi з виводом данних через USB в зв'язку з середовищем програму-вання LabVIEW.
2. Постановка задачi
Мета роботи. Розробка методики розв'язання задачi автоматизованого експресного формування масиву даних прямим анал^ичним методом визначення електричних характеристик сонячних елементiв велико! площi i розрахунок на iдеалiзованих структурах:
Al/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Al/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, Al/PcAl/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Си/РсСи/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO,
Cu/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Cu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO .
Для досягнення поставлено'1 мети необхщно виршити таю завдання:
- вдосконалити методи визначення електричних параметрiв: шунтуючого i послщовного опорiв (Rs, Rsh ), щшьност струму насичення Js i фактора якост n кремнiевого СЕ;
- створити методику, на базi яко! розробити структурну схему автоматизованого вим> рювального пристрою визначення свгглових i електричних характеристик СЕ велико! площц
- оцiнити похибку розрахунку мiж iснyючими методиками визначення параметрiв СЕ i удосконаленими;
- розрахувати i провести анал13 параметра 1деал130ваних структур:
Al/n - Si/p - Si/p+ - Si/ITO, Al/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO,
Al/PcAl/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Си/РсСи/por - Si/n - Si/p - Si/p+ - Si/ITO,
Cu/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Cu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO . 3. Вдосконалення прямого анал^ичного методу визначення електричних па-paMeTpiB: шунтуючого i послщовного опорiв (Rs, Rsh), щшьност струму насичен-
ня Js i фактора якостi n кремшевого СЕ.
Св1тлова ВАХ сонячного елемента, зг1дно з однод1одною моделлю сонячного елемента (рис. 1), описуеться за допомогою виразу:
1 - Iph - !s
exp
fU + IRsA пфт
-1
U + IRs
R
sh
(1)
де I0 - струм, що тече скр1зь навантаження; Iph - величина генерованого фотоструму; kT
Фт - терм1чний потенц1ал; Т - термодинам1чна температура; e - модуль заряду
електрона; k - пост1йна Больцмана; U - пад1ння напруги на навантаженн1; I s - величина
струму насичення д1ода; Rs - посл1довний оп1р; Rsh - паралельний (шунтуючий) оп1р.
На рис. 2 зображено загальний вигляд ВАХ сонячного елементу для 1деал1зованого випадку.
Рис. 1. Екв1валентна електрична схема СЕ
Рис. 2. ВАХ сонячного елемента
Встановлення зазначених вище параметрiв (Rs, Rsh , Js) базуеться на точному визна-ченнi мюцеположень трьох точок експериментально! ВАХ, а саме: струму короткого замикання (18С), напруги холостого ходу (иос), максимально! потужност (Рт) (див. рис. 2).
Знання шформацп про розташування цих трьох точок на кривiй дае можливють розрахувати: динамiчний опiр в точщ струму короткого замикання:
Rsho - -
аи
динамiчний ошр в точцi напруги холостого ходу:
^0 - -
аи
1-18С
и-исо
максимальний струм (1т), максимальну напругу (ит ), максимальну потужнiсть:
коефiцiент заповнення ВАХ:
Р - I • и
* т 'т ^ т э 1т Ц^т
& =
IscUoc
(2)
(3)
(4)
(5)
Параметри, якi описують ВАХ СЕ, можуть бути отримаш за допомогою таких п'яти нелiнiйних рiвнянь [6]:
Is ехР
с и ^
и ос Пфт
-1
- ^ ехР
Пфт
-1
(
-1.
Rsh + ^ Rsh
Ио
- 0
sh
(^0 -
1 т 1
+ 1С-ехр
1
Ифт
^ и ^
Ифт
+1.
sh
^^ + ^ ^
sh
-1.
ехр
Пфт
с и ^
и ос
ехр
Пфт
-1 - 0
-1 - 0
i с ехр
^ ос Пфт
и - и
+ ^ ос ^ т - I
V пфТ /
(
ехр
R
.1с
sh
и т + 1 т Rs
пфТ
-1,
Ио
-0
sh
V
Пфт
rsh
- 0.
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
Для зручносп у записах скористаемось вщповщними замшами:
ехр
^ и ^
Пфт
- а, Пфт - Ь, ехр
Пфт
- с, ехр
^ит +1 тЪ. ^
Пфт
- а.
Вираз (8) тсля замiн набуде такого вигляду, вщносно Rsh :
b(Rsh0 - ^)
Rsh -
Ь - с1. - ^ ) '
(11)
У вир^ (11) невщомим параметром е I., вираз для якого отримаемо з рiвняння (7):
т ь ^ - ъ.0 +^
а Rsh (0 - ^ ) '
Пiдставимо вираз (11) у вираз (12), звщки будемо мати:
(12)
I. -
К^м - )
Ь - с1. (Rsh0 - ^
Ь(М - ) (
-?-\ •
Ь - ^ (Rsh0 - ^ )
- R + R
.0 " Ь_Ь( -Rs)-Rs0[ь-с1.(Rsh0 -Rs)]+[ь-с1.(Rsh0 -Rs)] ь
- Rs
Ь(^0 -Rs)(Rs0 -
Пiсля розкриття дужок та перекомпонування чисельника випливае:
1
I
.с
а
I, =-
^ (Rsh0 - Rs )(Rs0 - Rs ) + ь' (§Ь0 - Rs0 )
_а_
(Rsh0 - Rs )(Rs0 - Rs )
(14)
Остаточно пiсля замiн а, Ь, с рiвняння (14) набувае такого вигляду:
I, = 10-10 • пФх ( - )
ехр
ио
Пфх
(Rsh0 - ° )(Rs0 - Rs ) 1
ехр
I о — и ^
Пфх
(15)
У рiвняннi (15) розрахунку тдлягають п та . Вираз для параметра п було одержано у робот [7]:
п = -
ит + 1т — ио
Фх
( и ^ ( 1,С I
1п1,с 1т - 1п
V у V
1 - иос
( и ^
I - иос
о
¡¡Ь0
(16)
у якому розрахунку тдлягае . Для цього використаемо вираз (11), який шсля шдстанов-ки рiвняння (15) набувае такого вигляду :
= 50
1 - ехр
(I о - и ^ Пфх
ехр
í I о - и ^
Пфх
(17)
Де к1=50.
Параметр О, може бути визначений за допомогою рiвняння (9), яке за допомогою використання (17) записуеться як
О = 001 • (^Ам - иос )+ Пфх (о§Ь0 - )
в (IscRsh0 - иос )
тут к 2 = 0,01.
Визначення фотоструму виконували зпдно з формулою (19), що мае вид
(18)
I - Iph + ^
ехр
ги + л
Пфх
-1
и + Ж,
О
= ф(,и ) = 0,
Бд- = 100 •
W
(S • Е)
(19)
(20)
8 - площа сонячного елемента, м2; Бд- - ККД, %; Wp - пiкова потужнiсть елемента при 25оС, Вт.
4. Побудова оптимального керування за умов контролю параметрiв монокрис-талiчних кремнieвих сонячних елеменпв
Для здiйснення контролю за параметрами сонячних елемештв iз урахуванням зазначе-них вище розрахункiв було розроблено експресну методику визначення параметрiв СЕ, за якою визначенi основш етапи И проведення:
1. Вим1рювання св1тлових характеристик (енергетичног осв1тленост1 7 р1вня осв1-тленост1) 7 температури навколишнього середовища. За допомогою програми LabVIEW подаеться команда мiкроконтроллеру на вмикання блоку живлення БЖДС (блок живлення джерела струму). Даний прилад потрiбний для роботи iмпульсноl лампи на еталонний i робочий свiтлоприймачi через LC-фiльтр нижнiх частот. Його використовують як розряд-
с
а
I
т
+
ний ланцюг джерела постшного струму при po6oTÍ з блоком зразкових pe3^TOpÍB. Також при плавнiй 3MÍHÍ значень реостату регулюються характеристики енергетично! осв^леност лампи вiд 1,0 до 2000 Вт/м2 i рiвня освiтленостi, що вимiрюються радiометром та люксо-метром вiдповiдно. Вони пiдключенi до вщповщних входiв пристрою збору баз даних (ПЗБД). Дат сигнал вiд мшроконтроллера подается у вiкно програми ПК.
Крiм визначення освiтленостi i його рiвня, в камерi встановлений датчик температури. Прилад контролюе температуру навколишнього середовища i заносить вiдповiднi значення до ПЗБД. До вимог проведення експерименту при температурах, нижчих вщ температури повiтря, для зменшення конденсацп вологи на активних поверхнях еталонного i контрольо-ваного елементiв майже всю автоматизовану установку, крiм електронно! частини, помща-ють у вакуумну камеру або камеру потоку сухого азота. Це дуже зручно, тому що !! можливо використовувати при легуванш додаткових контактних систем з РсСи, що перед-бачаеься при створенш модернiзованих СЕ.
2. Ыдготовка зразюв СЕ. Зразок СЕ або фотоелектричний модуль закршлено на термостатичний столик, який забезпечуе гарний тепловий контакт iз поверхнею та опром> нюеться iмпульсною лампою (1Л), яка розташована на такiй довжинi, на якш забезпечуеть-ся iнтенсивнiсть опромшення ФЕП один АМО. По поверхш зразка вiльно пересуваються еталонний i робочий св^лоприймач^
3. Вим1рювання ВАХ СЕ. З програми персонального комп'ютера через мшроконтроллер i навантажувальний електронний блок (НЕБ) виконуеться команда на встановлення мшмаль-них опорiв навантаження через блок зразкових резисторiв (БЗР) i при подальшому тдви-щенш опору навантаження вiд мiнiмальних до максимальних значень в ПЗБД через анало-говi i цифровi вводи-виводи вносяться показання вольтметра (напруга на навантаженш U) i амперметра (струм навантаження I). При цьому змша опорiв навантаження R виникае таким чином, щоб напруга змiнювалась в межах 1±0,1В.
4. Розрахунок параметр1в СЕ в програмному середовищ1 LabVIEW. Управлшня роботою ЦАП i АЦП здшснюеться за допомогою мiкроконтроллера, який формуе сигнал управлшня на навантажувальний електронний блок i LC-фшьтр нижшх частот. Також зв'язок мiж мшроконтроллером i персональним комп'ютером здiйснюеться через штер-фейс USB. При цьому персональний комп'ютер призначений для обчислення таких характеристик СЕ i занесення в масив даних вшна розрахунюв методики розв'язання задачi автоматизованого експресного формування даних:
- шунтуючого опору Rsh за формулою (17);
- послщовного опору Rs за формулою (18);
- фактора заповнення ff за формулою (5);
- щшьносп струму насичення Js за формулою (15);
- фактора якост n за формулою (16);
- фотоструму I ph за формулою (19);
- ККД СЕ за формулою (20).
Програмою визначеш потужносп Р, що вщдае СЕ в навантаження. Побудоваш вольтам-пернi i навантажувальш характеристики СЕ i знайдено струм максимально! потужносп (з графша вольтамперно! характеристики) i напруга максимально! потужносп (з графiка на-вантажувально! характеристики).
Структурна схема автоматизованого пристрою зображена на рис. 3, на якому iмпульсна лампа розмщена в закритому контейнер^ а на заднш стiнцi перед лампою встановленi вiдбивачi свiтла з дзеркал. На переднш стiнцi сформовано прямокутне свiтлове вшно, крiзь яке перпендикулярно до поверхш ФЕП направлено свгтловий пучок.
Пристрш збору баз данних е вимiрювальним блоком, який включае синхронiзованi канали аналогового i цифрового вводу-виводу сигналiв (AI, AO, DIO). Вони спрягаються з одним або групою дослщжуваних об'ектiв (еталонного i зразкового елемешгв) та ПЕОМ. Також мiстять цифроаналоговi перетворювачi (ЦАП), вихiд яких через аналогову шину даних шдключений до робочого i еталонного св^лоприймача, комутатора блоку зразкових резисторiв. Аналогово - цифровий перетворювач (АЦП) перетворюе в цифровий код значення температурного датчика, радюметра, люксометра.
До вщповщних входiв ПЗБД пiдключенi вихщ ФЕП, датчика температури, люксометра, радюметра, блоку зразкових резисторiв, еталонного i робочого свiтлоприймачiв. Данi прила-ди вшьно перемiщаються по площi поверхш ФЕП, що забезпечуе надiйнiсть вимiрювань фотоелектричних модулiв i батарей та СЕ велико! площь Вихiд ПЗБД з'еднаний iз входами контроллера LC-фiльтра, персональним комп'ютером, навантажувальним електронним блоком.
Крiм LC-фiльтра нижнiх частот не менше п'ятнадцятого порядку як розрядний ланцюг джерела постiйного струму можна використовувати накопичувальне зарядно-розрядне дже-рело постшного струму.
Перевагами дано! схеми серед вщомих слiд назвати спрощення управлiння процесу вимiрювання, зменшення часу та похибок вимiрювання значень напруги i струму, тдвищен-ня рiвномiрностi опромiнення площi ФЕП. Розглядаючи даш переваги бiльш детально, треба зауважити, що пiд спрощенням процесу управлшня маеться на увазi вимiрювання значень струму i напруги за час iмпульсу горiння лампи 3 мс, включаючи визначення струму короткого замикання i напруги холостого хода. Також до позитивних сторiн вщно-ситься зменшення похибок вимiрювання струмiв ФЕП. Це пов'язано з коригуванням результат вимiрювань, згiдно зi значеннями iнтенсивностi опромiнення i температурою в кожнш точцi свiтлового iмпульсу. Також тдвищуеться рiвномiрнiсть опромiнення контро-льованого ФЕП за рахунок оптишзацл св^лового концентратора, що пояснюеться установкою вiдбивачiв, матерiалом яких е дзеркальна поверхня в закритому контейнерi iз iмпульс-ною лампою.
Рис. 3. Структурна схема автоматизованого пристрою для вишрювання параметр1в ФЕП : СВ -свггловвдбивачц КЗ - контейнер, що закриваеться; 1Л - 1мпульсна лампа; ПСВ - прямокутне свплове
вшно; ЕС - еталонний свилоприймач; ПЗБД - пристрш збору баз даних; НЕБ - навантажувальний електронний блок; РСП - робочий свилоприймач; ПЕОМ - персональна електронна обчислювальна машина; МК - м1кроконтроллер; БЖДС - блок живлення джерела свила; ЛМ - люксметр; РМ -радюметр; ТС - термостатуючий столик; БЗР - блок зразкових резистор1в
5. Розрахунок вихщних i дшдних napaMeTpiB СЕ ВАХ iдеалiзованих структур
Al/n - Si/p -Si/p+ - Si/ITO, Al/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, Al/PcAl/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO ,
Си/РсСи/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, Cu/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Cu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO Окр!м визначення розрахункових параметр!в на зразках ФЕП, вщомих з л!тературних джерел в робот! були отримаш результати дослщжуваних структур ФЕП за шютю сер!ями:
1. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з Al.
2. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з Al i анти-вщбитевим шаром ПК.
3. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з С^
4. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з ^ i анти-вщбитевим шаром ПК.
5. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з ^ i додатко-вим контактним шаром на антивщбиттевому покритп (нанокомпозит ПК/PcCu).
6. Монокристал!чш кремншов! ФЕП з 2П-образною контакною системою з Al i додатко-вим контактним шаром на антивщбиттевому покритп (нанокомпозит ПК/PcAl).
2
Так, при температур! T = 18 °С та р!вш осв!тленосн 1000 Вт/м були отримаш ВАХ кремншових СЕ з ПК товщиною 130 нм i пориснстю 50 % та без ПК, що були вим!ряш на
зразках з площею 3Ч1,7 мм2 (рис. 4). Також при таких же умовах на автоматизованш установщ проходили вим!рювання ВАХ зразки монокристал!чних кремншових ФЕП з контактним шаром на антивщбиттевому покритп з нанокомпозинв ПК/PcCu i ПК/PcAl.
Рис. 4. Вольт-амперш характеристики кремншових СЕ
Виходячи з експериментальних даних ВАХ, отриманих на структурах ФЕП, а також методик визначення електричних параметр!в, запропонованих нами, за допомогою автома-тизовано! схеми були внесен! дан! та розраховаш дюдш i вихщш характеристики прилад!в (табл. 1, 2).
Таблиця1
Вихвдт 1 дюдщ характеристики СЕ за сершми структур
Тип СЕ А1/п^р-Si/p+-Si/ITO А1/рог^п-&/р^/р+-Si/ITO А1/РсА1/ рог-Si/n-Si/p-Si/p+-&/1ТО и/РсСи/рог^1/ п^/р-й/р+-Si/ITO Си/п^/р-Si/p +-Si/ITO Си/рог^1/п-Si/p-Si/p+-Si/ITO
Номер серп СЕ 1 2 3 4 5 6
Uoc, мВ 560 580 620 615 400 450
18С, мА 120 145 175 169 95 110
Вихщш параметри 1т , мА 105 130 158 157 75 85
ит , мВ 450 470 510 520 350 390
1т , вЩ. од. 0,71 0,73 0,74 0,79 0,691 0,6697
П, % 9,26 11,9 15,8 16,01 5,15 6,5
Р, мВт 47250 61100 80580 81640 28500 36550
Динам1чш Я8о, Ом 0,09612 0,04523 0,01904 0,015853 0,04523 0,04523
дюдн1
характе- ^ Ом 65,766 60,0613 60,0613 54,81616 60,0613 60,0613
ристики
Таблиця 2
Розраховат дюдт характеристики СЕ за анаттичним методом
№ \п Тип структури Фактор якосл СЕ, п Шунтуючий опр Rsh, Ом Щшьшсть струму насичення ^ , А Фактор запов-нення, Послщов ний отр Rs , Ом Фотострум V, А
1 А1/п^/р-й/р+^/ГГО 4,23 612,95 2,098^10"П 0,70313 0,432 0,12008
2 А1/рог- Si/n-S i/p- Si/p+- ЙДТО 4,33 567,74 1,143^10-11 0,72652 0,3221 0,14508
3 А1/РсА1/ poг-Si /п^/р^/р+-Si/ITO 4,47 586,93 2,805^10"12 0,7427 0,247 0,1751
4 Си/РсСи/ рог-й/п^/р-й/р+-Si/ITO 3,74 903,24 3,284^10"12 0,7855 0,2535 0,16905
5 Cu/n-Si/p-Si/p+-Si/ITO 2,2 1219,48 1,002^10"8 0,69079 0,4694 0,09504
6 Cu/poг-S ^п-й/р^ i/p +-S i/ITO 2,72 1047,101 1,57210"9 0,6697 0,4108 0,11004
Струм насичення розрахований на площу СЕ { представлений як щшьшсть струму насичення Js . Завдяки удосконаленню конструкци СЕ було досягнено полшшення вихщних 1 дюдних параметр1в ФЕП, що розраховаш прямим аналгшчним методом. Так, фотоперет-ворювач з основним контактом ¡з А1, на поверхш якого сформовано АВП з ПК, вщносно СЕ
без АВП мае шдвищення Iph на 17 %, п прилада на 2 %, ^ на 3 %. При цьому знижеш Rs
на 34 %, Rsh на 8 %. Для прилад1в з основним контактом ¡з Си, на поверхш якого
сформовано АВП з ПК, вщносно СЕ без АВП покращуються в б1к збшьшення Iph на 13 %,
п прилада на 19 %, ^ на 3 %. Також знижуються таю характеристики: Rs на 14 %, Rsh на 16 %.
При створенш на поверхш додатково! контактно! мереж! з А1 були удосконалеш таю параметри:
- тдвищено характеристики - ph на 17 %, п СЕ на 3 %, Rsh на 3 % , & на 2 %.
- знижено характеристики - Rs на 30 %.
Для структур СЕ, що мають на поверхш додаткову контактну мережу з Си спостер^а-лись покращення Iph на 34 %, & на 14 %. Також знизились п СЕ на 37 %, Rs на 62 %, Rsh на 15 % .
6. Оцшка похибок розрахунк^в
Для ощнки похибок результатiв вимiрювання було порiвняно значення вдосконаленого методу з шшими методиками визначення даних характеристик. При цьому найбшьш точним, зпдно з лiтературними джерелами, виявився метод, заснований на застосуванш кутiв нахилу ВАХ до осей координат [4].
Результати визначення похибки вимiрювань для послщовного i шунтуючого опорiв порiвнювались для структури Al/n-Si/p-Si/p+-Si/ITO за табл. 3.
Таблиця 3
Пор1вняння похибок вим1рювання опор1в за способами
Параметр Аналгтичний метод Спос1б кулв нахилу ВАХ Середне значення, Rp Абсолютне значення вщхилення сер. знач., ARр
Послвдовний отр 0,432 0,45 0,441 - 0,009
Шунтуючий отр 612,95 620 616,5 - 4,5
При визначенш послщовного опору абсолютне значення вгдхилення досить мале. Тому можна вважати, що рГзнищ мГж результатами двох дослав немае.
7. Висновки
1. Вдосконалено методику розв'язання задач! автоматизованого експресного формуван-ня масиву даних електричних параметрГв сонячних елеменпв велико! площГ, яка вщрГзняеться вгд юнуючих тим, що мае спрощену схему управлшня процесу вимГрювання та зменшуе час вимГру одше! точки до 3 с i шдвищуе рГвномГрнють опромшення площГ ФЕП великого розмГру за рахунок оптимГзаци свГтлового концентратору.
2. Вдосконалено прямий аналгтичний метод визначення електричних параметрГв СЕ: послщовного i шунтуючого опорГв (Rs i Rsh), щшьносп струму насичення Js та фактору якосп СЕ n, який вгдрГзняеться тим, що розрахунок проводився при наявносп одше! ВАХ приладу, мшГмальносп додатково! шформацп, точност при застосуванш гтерацшних ме-тодГв для запобГгання циклГчност результапв.
3. Уточнен! науковГ дан! про стан змш електричних параметрГв ¡деалГзованих сонячних елеменпв:
Al/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Al/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, Al/PcAl/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO , Сu/РсСu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, Cu/n - Si/p - Si/p+ - Si/ITO , Cu/por - Si/n - Si/p - Si/p + - Si/ITO, як! тдтверджують тдвищення фотоструму (Iph) на 14 - 17 %, якост приладу (n) на 2 %, фактора заповнення (ff) на 3 % та зниження послщовного опору (Rs) на 14 - 34 %,
шунтуючого опору (Rsh) на 8 - 16 % за умов формування антивщбиттевого покриття на основ! пористого кремшю на сонячному елементт Також спостерГгаеться тдвищення фотоструму (Iph) на 17 - 34 %, якосп приладу (n) на 3 - 37 %, фактора заповнення (ff ) на 2 % i
шунтуючого опору (Rsh ) на 15 % та зниження послгдовного опору (Rs) на 30 - 62 % при створенш додаткового контактного шару з Рс^ або PcAl на структурах сонячних еле-менив.
Список литератури: 1. Luque A., Hegedus S. Handbook of photovoltaic science and engineering. New York: John Wiley & Sons, Ltd, 2010. 1132 р. 2. МинтаировМ.А., Евстропов В.В., Калюжный Н.А., Минтаиров С.А., Шварц М.З., Тимошина Н.Х., Салий Р.А., Лантратов В.М. Разностный способ получения темновой вольт-амперной характеристики и ее виды для остаточной (негенерирующей) части многопереходного солнечного элемента // Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48, № 5. С. 671 - 676. 3. ФаренбухА., БьюбР. Солнечные элементы: Теория и эксперимент/ Пер. с англ. Под ред. М. М. Колтуна. М.: Энергоатомиздат, 1987. 280 с. 4. Коваль О. С., ТивановМ. С. Определение параметров солнечного элемента их его световой вольт-амперной характеристики // Физика. Весник БГУ. 2012. Сер. 1., № 2. С. 39 - 44. 5. ПикусГ. Е. Основы теории полупроводниковых приборов. М.: Наука, 1965. 448 с. 6. Phang J.C.H., Chan D.S.H., Philips J.R. Accurate analytical method for the extraction of solar cell parameters // Electronics Letters. 1984. V.20, №>10. Р.406-408. 7. Chan D.S.H., Philips J.R., Phang J.C.H. A comparative study of extraction methods for solar cell model parameters // Solid-State Electronics. 1986. V. 29, №>3. Р.329-337.
Надшшла до редколегИ 14.03.2015
Швець Свген Якович, канд. техн. наук., професор, в. о. ректора Запорiзькоi державно! шженерно! академи. Науковi iнтереси: методи дослвдження параметрiв сонячних елеменпв. Адреса: Укра!на, 69000, Запор!жжя, вул. Добролюбова, 22, тел.: (061) 2393987. Email: [email protected]
Зубко Свгешя 1вашвна, пров. спец. кафедри м^оелектронних шформацшних систем Запорiзькоi державно! шженерно! академи. Науковi штереси: технолопя виготовлення, дос-лвдження i моделювання низькорозмiрних структур для потреб фотовольтажи i сенсорики, методи дослщження параметрiв сонячних елеменпв. Адреса: Украша, 69000, Запорiжжя, вул. Добролюбова, 22, тел.: (061) 2393987. Email: [email protected]
