Моделювання фотоелектричних перетворювачів - Физика и энергетика курсовая работа

Главная

Физика и энергетика
Моделювання фотоелектричних перетворювачів

Природа і спектральний склад сонячного світла, характер його прямого та непрямого енергетичного перетворення. Типи сонячних елементів на основі напівпровідникових матеріалів. Моделювання електричних характеристик сонячного елемента на основі кремнію.


посмотреть текст работы


скачать работу можно здесь


полная информация о работе


весь список подобных работ


Нужна помощь с учёбой? Наши эксперты готовы помочь!
Нажимая на кнопку, вы соглашаетесь с
политикой обработки персональных данных

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.


спектральний напівпровідниковий електричний кремній
Фотоелектричні перетворювачі - електронний прилад, який перетворює енергію фотонів в електричну енергію. Перший фотоелемент, заснований на зовнішньому фотоефекті, створив Олександр Столєтов.
Фотоелектричний (або фотовольтаїчний) метод перетворення сонячної енергії в електричну є в даний час найбільш розробленим в науковому та практичному плані. Вперше на перспективу його використання у великомасштабній енергетиці звернув увагу ще в 30-ті роки один із засновників радянської фізичної школи академік А. Ф. Іоффе. Однак у той час ККД сонячних елементів не перевищував 1%.
Сучасні тенденції в світовій енергетиці стимулюють істотне зростання інтересу до альтернативних джерел енергії. ФЕП або сонячні елементи є найбільш перспективними, екологічно чистими кандидатами на зменшення нафтової залежності світу і, на відміну від органічних і неорганічних джерел енергії, перетворять сонячне випромінювання безпосередньо в електроенергію.
На 1 м 2 поверхні Землі, розташованої перпендикулярно сонячним променям, доводиться 1,4 кВт сонячного випромінювання, а на 1 м 2 поверхні Землі (сфери Землі) припадає в середньому 0,35 кВт.
Слід, однак, мати на увазі, що більше половини енергії сонячної радіації не доходить безпосередньо до поверхні Землі (суші і океану), а відображається атмосферою. Вважається, що на 1 м 2 суші і океану землі припадає в середньому близько 0,16 кВт сонячної радіації. Отже, для всієї поверхні Землі сонячне випромінювання становить величину, близьку до 1014 кВт, або 105 млрд. кВт. Ця цифра, ймовірно, у багато тисяч разів перевищує не тільки сьогоднішню, але і перспективну потребу людства в енергії.
ФЕП широко використовуються для живлення магістральних систем електропостачання і різноманітного обладнання на КЛА; вони призначені також для підзарядки бортових хімічних акумуляторних батарей. Крім того, ФЕП знаходять застосування на наземних стаціонарних і пересувних об'єктах, наприклад, в АЕУ електромобілів. За допомогою ФЕП, розміщених на верхній поверхні крил, здійснене живлення приводного електродвигуна гвинта одномісного експериментального літака (США), яка вчинила переліт через протоку Ла-Манш.
Темпи зростання і плани розвитку наземної сонячної енергетики, намічені промислово розвиненими країнами, вражають масштабністю. До 2031 в світі планується мати сукупну встановлену потужність електрогенераторів на сонячній енергії 1700 ГВт (для порівняння: у 2004 р. 1256 МВт). Якщо сьогодні фотовольтаїка займає менше 1% в загальносвітовому балансі виробленої електроенергії, то до 2040 р. ця частка повинна зрости до 30%. У Росії наземна сонячна енергетика на поточний момент є активно розвивається галуззю. Є проекти по створенню фотоелектричних сонячних електростанцій, розвиваються технології виробництва СЕ і СБ Широке впровадження сонячної енергетики в космосі і на землі ставить перед проектувальниками проблему оцінки ефективності роботи фотоелектричних систем (ФЕС). Необхідно мати можливість передбачити потужність сонячних батарей під дією різноманітних факторів навколишнього середовища, порівняти ефективність використання СБ з різних матеріалів, оцінити поведінку фотоелектричних перетворювачів в різних режимах роботи. Для ефективного використання фотоелектричних генераторів необхідно знати точку максимальної потужності і забезпечити такий режим, щоб віддається потужність при зміні навколишніх умов була найбільшою. При відпрацюванні ФЕС використовують імітатори сонячних батарей, що дозволяють відтворювати характеристики СБ під впливом різноманітних зовнішніх впливів.
Передбачення поведінки і відтворення характеристик СЕ і СБ здійснюється за допомогою моделювання. У порівнянні з експериментом, математичне моделювання надає більш швидкий, гнучкий і дешевий спосіб відпрацювання ФЕС. Для відтворення характеристик СЕ і СБ найчастіше використовуються аналітичні моделі, які будуються на базі еквівалентної електричної схеми та основного рівняння СЕ. Роботи з моделювання характеристик СБ активно ведуться за кордоном, результати досліджень розглядаються на регулярних конференціях з фотовольтаїки.
Відомі аналітичні моделі дозволяють відтворювати зміна вихідних характеристик СЕ і СБ під дією різних температур і рівнів освітленості, але не враховують інших значущих чинників. Не приймаються до уваги неідеальність СЕ, конструктивні особливості батарей, необхідність відтворення характеристик СБ з різних матеріалів. Разом з тим, для використання пропонованих моделей потрібне проведення додаткових експериментів, що дозволяють визначити їх вхідні параметри.
Сьогодні енергетика України вимагає значного споживання традиційних джерел енергії (нафти, газу, вугілля, атомної енергії). Проте їх використання пов'язане із виникненням ряду труднощів, серед яких теплове, хімічне, радіоактивне забруднення навколишнього середовища та вичерпність їх запасів. Рівень забруднення атмосфери невпинно зростає, що призводить до руйнування біосфери. І хоча є багато сучасних технологій, що дадуть змогу ще багато років забезпечити людство атомною енергією, однак це не вирішить таких проблем, як зберігання відходів, наслідки від аварій та теплового і радіаційного забруднення.
Потік сонячного випромінювання, що проходить через площу 1 м?, розташовану перпендикулярно потоку випромінювання на відстані однієї астрономічної одиниці від центру Сонця (тобто зовні атмосфери) Землі, дорівнює 1367 Вт/м? (сонячна постійна).
Через поглинання атмосферою Землі, максимальний потік сонячного випромінювання на рівні моря - 1020 Вт/м?. Середньодобове значення потоку сонячного випромінювання як мінімум в три рази менше (через зміни дня і ночі і зміни кута сонця над горизонтом). Взимку в помірних широтах це значення в два рази менше. Ця кількість енергії з одиниці площі визначає можливості сонячної енергетики.
Перспективи сонячної енергетики також зменшуються внаслідок глобального затемнення - антропогенного зменшення сонячного випромінювання, що доходить до поверхні Землі.
У середині ХХ ст. використання відновних джерел енергії було незначним, проте енергетична криза 70-х років минулого століття, Чорнобильська катастрофа 1986 року та катастрофа на АЕС "Фукусіма-1" в Японії 2011 року докорінно змінили погляди людства на відновлювальні джерела енергії. Європейська Спільнота вимагає від країн, які прагнуть до неї вступити, збільшення частки відновлювальних джерел енергії в національному виробництві енергії до 6%, а до 2030 року - до 20%. В Україні показник використання альтернативних видів енергії знаходиться на рівні 0,7%. Все це спонукає до інтенсифікації використання сонячної енергії, оскільки вона може ефективно трансформуватись в теплову та електричну і використовуватись для потреб опалення та гарячого водопостачання.
Впродовж останніх десятиліть було сконструйовано та досліджено різноманітні сонячні елементи. Головною метою цих досліджень було підвищення коефіцієнта корисної дії сонячного елемента та зниження його вартості, оскільки підвищення ефективності, зазвичай, супроводжується зростанням ціни сонячних елементів. Тому доцільним є пошук оптимальних параметрів сонячного елемента, що дасть змогу отримати максимальний коефіцієнт корисної дії за мінімальних економічних затрат.
Сьогодні актуальним є вдосконалення існуючих сонячних елементів та систем сонячної електроенергетики для їх максимальної інтеграції в традиційні системи енергопостачання та широке застосування на практиці. Одним із способів вирішення цього питання є моделювання фотоелектричних перетворювачів, що допоможе прискорити розробку найбільш еффективних рішень та полегшити розробку нових
Неефективне використання енергетичних ресурсів, споживання та експорт легкодоступної нафти, неекономне використання електроенергії підприємствами чи домогосподарствами змушують серйозно замислитись над проблемою енергозбереження у країні.
Енергетичний сектор економіки України потребує особливої уваги як з боку держави, так й індивідів. Важливим є використання альтернативних джерел енергії, пошук нових шляхів, способів постачання її державі.
Енергосистема України навіть за наявності палива не може достатньо забезпечити споживачів тими обсягами енергії, який вони потребують.
Закони України «Про енергозбереження», «Про енергетику» та «Про енергопостачання», законодавчі акти Верховної ради України, хоча і порушують проблему енергетики, проте на практиці особливих позитивних зрушень не виявляють.
Пошуки нових шляхів видобутку енергетичних ресурсів та збереження енергії розглядаються у працях таких дослідників, кандидатів економічних наук, вчених як О.П. Романюка, О.Є. Перфілоса, С.М. Срібнюка та інших.
Хоча і праці вище названих дослідників є важливим внеском у розв'язання енергетичної проблеми, проте значна частина з них має лише теоретичне значення. На практиці через брак коштів, кризу платежів, необґрунтовану амортизаційну політику, вони, на жаль, не були втілені в життя, а спроби їх реалізації не мали позитивного завершення.
Рівень розвитку енергетики має визначальний вплив на стан економіки в країні в цілому.
Для того, щоб вирішити питання альтернативної енергетики, необхідно:
- прийняти такий законодавчий акт як закон України «Про енергоефективність», тобто дещо коректувати закон «Про фльтернативні джерела енергії»;
- необхідно внести зміни до закону «Про оподаткування прибутку підприємств»;
- насамперед вдосконалення потребує закон «Про комерційний облік ресурсів, передача яких здійснюється мережами».
- запроваджувати сучасні прилади та пристрої, які економлять енергію
У сучасних умовах держава має унікальне географічне та геополітичне значення та виступає транспортером паливно-енергетичних ресурсів.
Однак для забезпечення максимально ефективного розвитку економіки та підвищення якості життя населення до світових стандартів слід вирішити такі проблеми як:
- Недостатній рівень забезпечення власними паливно-енергетичними ресурсами і значна кількість імпортованих ресурсів;
- Необхідність створення стратегічних запасів для забезпечення енергетичної незалежності України;
- Високий рівень зношеності енергетичної інфраструктури та необхідність модернізації та реконструкції основних фондів;
- Недостатній рівень використання альтернативних видів палива та нетрадиційних джерел енергії;
- Високий рівень витрат енергоресурсів при їх виробництві, транспортуванні та споживанні, впровадження новітніх технологій, раціоналізація структури суспільного виробництва.
Для вирішення вищеподані проблем слід сформувати якісну стратегію щодо їх подолання, реформувати ПЕК відповідно до ринкових умов господарювання.
Перші кроки до зміни та модернізації були зроблені з прийняттям «Енергетичної стратегії України на період до 2030 року». Ця подія мала позитивне значення у регулювання енергетики України,адже до її прийняття не було чіткого плану щодо розвитку та функціонування енергетичної галузі. У ній розкрито багато цілей та завдань, напрямків проведення «перебудови».
Окремим розділом виділяють «Пріоритетні напрями та обсяги енергозбереження, потенціал розвитку нетрадиційних і відновлюваних джерел енергії». Згідно з ним фактор енергозбереження є одним із визначальних для енергетичної стратегії України. Від його рівня залежить ефективне функціонування національної економіки.
Відповідно до прийнятої стратегії на даний час основним фактором зниження енергоємності продукції (послуг) в усіх галузях економіки є формування ефективно діючої системи державного управління сферою енергозбереження. Це дозволить, в першу чергу, удосконалити структуру кінцевого споживання енергоресурсів, зокрема, за рахунок подальшого розширення та поглиблення електрифікації в усіх сферах економіки шляхом заміщення дефіцитних видів палива з одночасним підвищенням ефективності виробництва.
Ми ж пропонуємо вирішити питання енергозалежності зниженням рівня її необхідності шляхом впровадження світлодіодних ламп.
Забруднення природного середовища промисловими викидами надає шкідливийдію на людей, тварин, рослини, грунт, будівлі і споруди, знижуєпрозорість атмосфери, підвищує вологість повітря, збільшує кількість днівз туманами, зменшує видимість, викликає корозію металевих виробів.
Під забрудненням навколишнього середовища слід розуміти зміну властивостейсередовища (хімічних, механічних, фізичних, біологічних і пов'язаних зними інформаційних), що відбуваються в результаті природних абоштучних процесів і призводять до погіршення функцій середовища по відношеннюдо будь-якого біологічного або технологічного об'єкту. Використовуючи різніелементи навколишнього середовища у своїй діяльності, людина змінює їїякість. Часто ці зміни виражаються в несприятливому формізабруднення. За масштабами антропогенні зміни стають порівняннимиз природними, а в ряді випадків навіть перевищують їх, про що можна судити з таблиці 1.
Таблиця 1.1 - Надходження в атмосферу (тонн/рік) деяких компонентів, природного і промислового походження
Природні процеси забруднення мають в природі антиподи, здатні нейтралізувати дію природного забруднювача, а багато речовин,створені людиною, є сторонніми по відношенню до природи.
Природні джерела забруднення зазвичай віддалені від місця існування людини, а антропогенні розташовані в районах концентрації населення.
Збільшення масштабів забруднення атмосфери вимагають швидких іефективних способів захисту її від забруднення, а також способівпопередження шкідливого впливу забруднювачів повітря. Атмосфера можемістити певну кількість забруднювача без прояви шкідливоївпливу, тому що відбувається природний процес її очищення.
Першим кроком у встановленні шкідливого впливу, пов'язаного із забрудненнямповітря, є розробка критерію якості повітря, а також стандартівякості.
Стандарти якості визначають рівні якості повітря і граничнодопустимі викиди (ГДВ), які необхідно витримувати для забезпеченнябезпеки життя.
Контролюючі органи зобов'язані здійснювати кількісний та якіснийконтроль.
Іншим підходом до поліпшення стану атмосфери є вимогазастосування передових технологічних процесів, заміна шкідливих матеріалівнешкідливими, застосування мокрих способів обробки сировини замість сухих.
Як правило, на промислових підприємствах використовуються процеси абопристрої для газоочистки і пиловловлення, щоб зменшити абозапобігти величину викиду. Процеси газоочистки можуть також зруйнуватиабо змінювати його хімічні та фізичні властивості так, що він стаєменш небезпечним
У деяких випадках використовують метод розсіювання в атмосфері. Димовітруби повинні бути досить високими (300-350 метрів), для забезпеченнягарного розведення домішок шляхом обтікання повітря навколо будинків у зоніаеродинамічних тіней. Крім того, необхідно враховувати температурувикидів і місце розташування труб. Підприємства будують з подветреннойсторони по відношенню до житлових районів. На ряді підприємств факельні газивикористовують для опалення будинків, а їх надлишок направляється натеплоцентраль.
Якщо впроваджувати енергозберігаючі технологоіїї або альтернативну енергетику то можна зменшити кількість вуглекислого газу, що викидається у атмосферу.
За масштабами забруднення навколишнього середовища можна розділити на локальний,регіональне та глобальне. Ці три види забруднення тісно пов'язані міжсобою. Як правило, первинним є локальне забруднення, яке, якщошвидкість процесу забруднення більше швидкості природного очищення,переходить до регіонального і потім при накопиченні кількісних змін в глобальну зміну якості навколишнього середовища. Для глобальногозабруднення найбільш важливим є тимчасовий чинник.
Існування таких процесів свідчить про обмеженість ресурсіватмосфери і про межах її природного самовідновлення. Наприклад,використання повітря у виробничих процесах здавна передбачалоприродні здібності атмосфери до відновлення первинних якостей.
Зокрема, димові викиди в атмосферу, що містять мікрочастинки ітоксичні речовини, являють собою не що інше, як метод розведення.
І навіть у наші дні при будівництві висотних і сверхвисотних трубпродовжують користуватися цим стародавнім методом. Однак різке зростанняобсягів викидів призвело до того, що масштаби забруднення впритулнаблизилися і навіть часто переступають межі самовідновленняатмосфери.
При сучасних рівнях забруднення шкідливі речовини від джерелазабруднення поширюється на десятки й сотні кілометрів. І навіть самепоняття джерело забруднення кілька змінює зміст. Якщо в якому-небудьпромисловому районі можна виділити точкові джерела забруднення, то вмасштабі регіону цілий промисловий район, наприклад велике місто, можерозглядатися як єдине джерело з системою точкових, лінійних (автомагістралі) і групових джерел. Більше того, навіть весь регіон інавіть ціла країна може виступати в ролі єдиного джерела забруднення.
Сучасне індустріальне виробництво робить значнийвплив на природу в глобальних масштабах. Хоча більша частиназабруднюючих речовин і теплової енергії виробляється на обмеженійплощі, головним чином у промислових районах Північної Америки, Європи та
Азії, внаслідок особливостей циркуляції атмосфери і переміщень у водномуоболонці Землі значна частина деяких, відносно довго живутьзабруднюючих речовин розсіюється на величезних просторах і навіть по всій
Землі, приводячи до регіонального та глобального забруднення.
До теперішнього часу визначилися деякі важливі проблеми в областіантропогенного глобального забруднення навколишнього природного середовища, до числаяких відносяться:
1. Можливі зміни клімату у зв'язку з надходженням в атмосферу техногенного тепла, вуглекислого газу і аерозольних домішок.
2. Можливе порушення озонового шару Землі, пов'язане з надходженням в атмосферу фреонів, окислів азоту та деяких інших домішок.
3. Екологічні наслідки глобального забруднення природного середовища та біосфери радіоактивними речовинами, важкими металами і пестицидами.
4. Загальна проблема морського середовища атмосферними опадами, річковим стоком, наземним і морським транспортом.
5. Далекий атмосферне перенесення забруднюючих речовин і проблема кислотних опадів.
Таким чином, масштаби антропогенного впливу на навколишнє середовище ірівень випливає з цього небезпеки змушують шукати нові підходи дорозвитку технологічних процесів, які, будучи не менш ефективнимив економічному сенсі, у багато разів перевершували б існуючі поступеня екологічної чистоти. Фактично суперечність між економікою іекологією означає протиріччя між необхідністю гармонійного розвиткусистеми природа-людина-виробництво і недостатньою об'єктивноїможливістю, а часом і просто суб'єктивним небажанням такої гармонії насучасному етапі розвитку виробничих сил і виробничихвідносин.
спектральний напівпровідниковий електричний кремній
Більшість поновлюваних видів енергії - гідроенергія, механічна і теплова енергія світового океану, вітрова та геотермальна енергія - характеризуються або обмеженим потенціалом, або значними труднощами широкого використання. Сумарний потенціал більшості нині використовуваних поновлюваних джерел енергії дозволить збільшити споживання енергії з нинішнього рівня всього лише на порядок. Але існує ще одне джерело енергії - Сонце. Сонце, зірка спектрального класу 2, жовтий карлик, дуже середня зірка за всіма своїми основними параметрами: масі, радіусу, температурі і абсолютною величиною. Але, ця зірка має одну унікальну особливість - це "наша зірка", і людство зобов'язане всім своїм існуванням цієї "середньої" за астрономічними поняттями зірці. Наше світило поставляє Землі потужність близько 2·10 17 Вт - така "сила сонячного зайчика" діаметром 12.7 тис. км, який постійно висвітлює звернену до Сонця бік нашої планети. Інтенсивність сонячного світла на рівні моря в південних широтах, коли Сонце в зеніті, становить порядку 1 кВт/м 2 . При розробці високоефективних методів перетворення сонячної енергії Сонце може забезпечити бурхливо зростаючі потреби в енергії протягом багатьох років [2,3].
Зовні Сонце являє собою газоподібний кулю радіуса 6955000 км з масою 1.98*10 30 кг. Таким чином, щільність солнечного речовини становить 1.4 г/см3, що ненабагато більше щільності води. Найбільш поширені елементи на Сонці: водень (близько 70 маси Сонця) і гелій (більше 28), усього ж спектральний аналіз сонячного випромінювання встановив наявність на Сонці більше 70 різних хімічних елементів. Джерелом енергії сонячного випромінювання служить термоядерна реакція [3,4]
яка можлива завдяки величезному тиску, під яким знаходиться водень усередині Сонця. Кожну секунду приблизно 6*10 11 кг H перетворюється в He. Дефект масси 4·1.008 г (Н) = 4.003 г (Не) + 0.029 г при цьому скалдає 4·10 9 кг, що призводить відповідно до співвідношення Ейнштейна Е=mc 2 до виділення енергії, що становить близько 3.8·10 26 Дж:
де c = 3*10 8 мс - швидкість світла.
Основна частина цієї енергії випускається у вигляді електромагніт-ного випромінювання в діапазоні від ультрафіолетового до інфрачервоного. 99% енергії випромінювання Сонця припадає на інтервал довжин хвиль 100 - 4000 нм (малюнок 1.10). Повна маса Сонця в даний час складає приблизно 2 * 10 30 кг, що має забезпечити його достатньо стабільне існування приблизно з постійним виділенням енергії протягом понад 10 млрд. років.
Загальна потужність Q, яку випромінює Сонце в усіх діапазонах довжин хвиль в навколишній простір, становить 3.8 10 26 Вт Однак у навколишньому просторі промениста енергія Сонця розсіюється обернено пропорційно квадрату відстані до об'єкта:
Для Землі приблизну відстань до Сонця складає 149 500 000 км (1.5 * 10 11 м), і середня щільність променевої енергії на земній орбіті дорівнює 1370 Вт/м2, ця величина називається сонячної постійної (Ф 0 ).
Сонячний спектр ділять на три області: ультрафіолетову (л <390 нм), на яку приходиться 9% від усієї випромінюваної енергії; видиму (390 < л < 760 нм), - 4 7% всієї енергії в інфрачервону (л > 760 нм) - 44%. При проходженні через атмосферу сонячне світло послаблюється в основному завдяки поглинанню інфрачервоного випромінювання парами води, поглинанню ультрафіолетового випромінювання озоном і розсіювання випромінювання знаходяться в повітрі частинками пилу і аерозолями. Показник атмосферного впливу на інтенсивність сонячного випромінювання, що доходить до земної поверх-ності, визначається "атмосферної масою" (АМ) [6]. "Атмосферна маса" для будь-якого рівня земної поверхні в будь-який момент дня визначається за формулою:
? - кут висоти Сонця на горизонтом земної кулі (рис.2.1).
Щільність світлового потоку біля поверхні Землі задається наступною формулою
де ф л - коеффіціент поглинання в атмосфері, що залежить віж довжини хвилі;
m - шлях, який проходят соячні лучі в атомфері;
- коеффіціент прозорості, характеризуючий атмосферне поглинання.
У середніх широтах потік сонячної енергії на поверхні Землі варіюється протягом дня від сходу (заходу) до полудня від 32.88 Вт/м 2 до 1233 Вт/м 2 в ясний день і від 19.2 мкВт/м 2 до 822 Вт/м 2 в похмурий день.
Рисунок 2.1 - Відстань, що проходить в атмосфері сонячними променями при різних положеннях Сонця над горизонтом
Вельми важливе вироблення єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ. Справа в тому, що спектр сонячного випромінювання зазнає істотні зміни при проходженні атмосфери (рис.1.10). Спектральний склад і щільність потоку сонячного випромінювання біля поверхні Землі змінюються залежно від довжини оптичного шляху світлових променів в атмосфері. Довжина цього шляху характеризується величиною, званої оптичної атмосферної масою m, яка пов'язана з кутом ? залежністю . Якщо Сонце знаходиться в зеніті, то m=1 (умова АМ1), при його видаленні від зеніту оптична атмосферна маса зростає. Крім загального ослаблення інтенсивності сонячного випромінювання спостерігаються додаткові смуги поглинання, які найсильнішим чином залежать від довжини шляху світлових променів в атмосфері і від стану атмосфери (рисунок 1.10). В якості єдиного стандарту для вимірювання параметрів СЕ по рекомендації Комісії Європейського співтовариства та Міжнародної електротехнічної комісії при ООН було прийнято умова використання значення атмосферної маси АМ 1.5 с ?= 41.81? (нормальний атмосферний тиск). Для неї щільність потоку сонячного випромінювання береться рівній 835 Вт/м 2 , що приблизно збігається з середньою інтенсивністю випромінювання на Землі. Згодом було прийнято додаткове рішення, що дозволяє проводити вимірювання параметрів СЕ при спектрі випромінювання, відповідного АМ 1.5 і інтегральної щільності потоку випромінювання 1000 Вт/м 2 [8,9]. Спектр АМ 0 визначає роботу сонячних батарей на космічних апаратах. Спектр АМ 1 відповідає сонячному випромінюванню на поверхні Землі, коли Сонце стоїть в зеніті; при цьому повна потужність випромінювання становить близько 925 Вт/м 2 . Спектр АМ2 реалізується при куті ? = 30 ?. У цьому випадку повна потужність випромінювання дорівнює 691 Вт/м 2 .
Сонячна енергія, потрапляючи на Землю, зазнає різні перетворення. Частина енергії витрачається на розігрів земної поверхні, інша частина поглинається рослинами, третя - світовим океаном, і так далі. Деяка частина сонячної енергії бере участь у реакціях фотосинтезу, забезпечуючи приплив в атмосферу вільного кисню і утворення органічних сполук з неорганічних мінералів. Утворилися в результаті фотосинтезу органічні сполуки зазнають, згодом, подальші хімічні перетворення, перетворюючись, в кінцевому підсумку, у викопні джерела палива нафту (суміш вуглеводнів), вугілля (органічний вуглець), природний газ (метан CH 4 ).
Рисунок 2.2 - Світове споживання основних енергоресурсів
Можна сміливо стверджувати, що практично вся земна енергетика орієнтована на використання сонячної енергії в її різних проявах. Виняток становлять тільки атомні та геотермальні електростанції. Так, вітрова енергетика зорієнтована на використання рухомих повітряних потоків, що виникають за рахунок нерівномірного прогріву атмосфери Сонцем. Гідроелектростанції використовують для своєї роботи круговорот води в природі, неможливий без випаровування, здійснюваного Сонцем. І навіть енергія припливів може використовуватися тільки за умови рідкого стану гідросфери, що можливо тільки при певному світловому режимі нашого світила. Розподіл по світовому споживанню основних енергоресурсів представлено на малюнку 2.2, звідки можна бачити, що саме видобувін паливні ресурси становлять основу всієї сучасної світової енергетики [1, 4].
Подальші перетворення з метою отримання електроенергії зводяться в разі викопного палива - до спалювання енергоресурсів, що призводить до звільнення акумульованої в них енергії, при використанні вітрової, гідро-і приливної енергій - до перетворення механічної енергії потоків речовини, що виникають завдяки випромінюванню Сонця. Очевидно, що при непрямих перетвореннях втрати енергії, що акумулюється від Сонця, набагато вище. Самі ж запаси цієї енергії (у разі паливних ресурсів) значною мірою обмежені, тому найбільш рентабельним має опинитися саме пряме перетворення сонячної енергії сонячними елементами.
Оптичне випромінювання при взаємодії з кристалом напівпровідника частково поглинається, частково відбивається від його по-поверхні, частково проходить через кристал без поглинання. Частки енергії, що проходить, відбивається і поглинається оцінюють для напівпроводнікових матеріалів відповідними коефіцієнтами. Розрізняють коефіцієнт пропускання
де P np - потужність випромінювання, що пройшло через кристал;
Р отр - потужність випромінювання, відображеного від кристалу;
Р погл - потужність поглинена кристаллом;
Р пад - потужність випромінювання падаючого на кристал.
Показник поглинання л чисельно дорівнює значенню оберненої відстані від поверхності напівпровідниа, на якому початкова потужність падаючого випромінювання ослабляється в е разів. На глибині x.
де Р(х) - потужність випромінювання на глибині х від поверхні кристала.
Залежність коефіцієнта поглинання від довжини хвилі падаючого випромінювання л б називають спектром поглинання. Типовий спектр поглинання показаний на малюнку 2.3 [4]. Ділянка 1 відповідає власному поглинанню. Поглинається на ділянці 1 енергія витрачається на розрив валентної зв'язку і перехід електрона з валентної зони напівпровідника в зону провідності. Цей процес обратен міжзонної рекомбінації. Для перекладу електрона в зону провідності необхідно, щоб енергія поглиненого фотона перевищувала ширину забороненої зони:
где E ph - енергія падаючого фотона;
E g - ширина забороненої зони напівпровідника;
v - частота єлектромагнітних коливань падаючого світла.
Тому спектр власного поглинання має чітко виражену межу, називаєму червоною границею фотоеффекту:
Рисунок 2.3 - Типовий спектр поглинання (суцільна крива) і залежність фотопровідності (пунктирна крива) від спектрального складу падаючого світла для напівпровідника: 1 - власне поглинання в напівпровіднику; 2 - непрямі переходи за участю фононів і екситонів; 3, 4 - домішкові поглинання; 5 - граткова поглинання
Із зменшенням довжини хвилі випромінювання в області л ГР можуть на спостерігатися непрямі переходи, при яких в поглинанні беруть участь фонони і екситони, яким для іонізації потрібна менша енер гія фотона (ділянка 2 на малюнку 2.3). На величину л гр можуть впливати також температура, зовнішні поля і ступінь легування полупро водника домішками. З підвищенням концентрації домішок лгр зменшується, що обумовлено заповненням енергетичних рівнів поблизу стелі валентної зони або дна зони провідності. З збіль чением температури л гр збільшується, що обумовлено зменшенням ширини забороненої зони для більшості напівпровідників з ростом температури. В електричному полі л гр зміщується в довго хвильову область (ефект Келдиша-Франца); в магнітному полі - в короткохвильову область (розщеплення Ландау).
Ділянки 3 і 4 на малюнку 2.3 відповідають домішкового поглинання-щенію, коли енергія фотона витрачається на іонізацію атомів домішки. Так як енергія іонізації атомів домішки дЕпр « Eg, то спектр примесного поглинання зміщений в інфрачервону область. Електрони атомів домішки можуть перебувати в основному і возбуж дених станах, тому в спектрі поглинання маємо кілька ділянок примесного поглинання (на
Моделювання фотоелектричних перетворювачів курсовая работа. Физика и энергетика.
Рационализм эпохи Просвещения и метафизический материализм XVIII века
Контрольная работа: Перечень реквизитов и их кратная характеристика. Основные управленческие документы. Скачать бесплатно и без регистрации
Дипломная работа по теме Особенности профессионального обучения персонала: компетентностный подход
Реферат: Способи одержання інформації співпраця з науковцями
Доклад по теме Высшее образование в Англии /english/
Курсовая работа по теме Разработка программы для фиксации попыток атаки на защищаемый объект
Реферат: Мережевий і транспортний рівень. Взаємодія між ними
Курсовая работа по теме Расчет гидропривода
Реферат: Промышленный переворот в Германии XIX-начала XX века
Дипломная работа: Правовое регулирование труда работников-мигрантов в Российской Федерации
Курсовая работа по теме Разработка адаптивно-ландшафтной системы земледелия в СПК 'Нива'
Реферат по теме Психофизиологические особенности человека
Реферат На Тему Экономическое Положение Красноярского Края В 1990-Е Годы
Курсовая Работа Механизм Государства 3 Класс
Контрольная Работа Гиа 9 Класс
Сочинение Начало Войны
Реферат по теме К проблеме утверждения рационального начала в синтаксисе французского языка XVII века
Реферат: Порядок укладання зовнішньоекономічних договорів за законодавством України
Контрольная Работа Устройство Компьютера 5 Класс
Собор Василия Блаженного Описание Внешнего Вида Сочинение
Компьютерные методы в инженерных расчетах. Введение в ANSYS. Workbench - Программирование, компьютеры и кибернетика презентация
Повышение эффективности деятельности органов местного самоуправления в сфере благоустройства (на примере администрации Октябрьского района города Новосибирска) - Государство и право дипломная работа
Розчищення доріг від снігу - Строительство и архитектура курсовая работа