Моделирование солнечных батарей на основе различных полупроводников

• Автор: Фролкова, Наталья Олеговна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 180 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ,

1 Солнечные элементы и батареи как объект моделирования.

1.1 Солнечные элементы. Идеализированная аналитическая модель. Параметры реального полупроводникового фотоэлемента.
1.2 Влияние условий окружающей среды на характеристики СЭ и СБ. Конструктивные параметры батарей

1.3 Основные типы солнечных элементов и их особенности

1.4 Обзор моделей СЭ

1.5 Выводы

2 Построение модели солнечных батарей.

2.1 Общие принципы реализации модели СБ.

2.2 Определение входных и выходных параметров модели

2.3 Математическое описание характеристик солнечных элементов и батарей.
2.4 Алгоритм моделирования солнечных батарей. Выбор языкг имитационного моделирования.
2.5 Тестирование и проверка адекватности модели.
2.6 Выводы
3 Моделирование солнечных элементов и батарей на языке РБрсе
3.1 Модель идеального СЭ на языке РБрсе. Ограничения модели
3.2 Обобщенная модель СЭ. Значимые параметры моделирования
3.3 Модель солнечных батарей на языке РБрсе. Затенение СБ
3.4 Выводы
4 Моделирование солнечных батарей в среде МаОаЬ Бтипк
4.1 Модель СЭ. Основные параметры и соотношения.
4.2 Обобщенная модель СБ. Математическое описание комплексных воздействий на характеристики солнечных батарей.
4.3 Библиотека моделей солнечных элементов и батарей. Выводы
5 Результаты моделирования СБ в среде МааЬ Бшипк. Оценка адекватности, применимость модели
5.1 Моделирование СЭ. Верификация результатов.
5.2 Моделирование СБ. Верификация результатов.
5.3 Адекватность модели солнечных батарей. Точность модели и
анализ ее свойств.
5.4 Практическое применение модели солнечных батарей для космических и наземных приложений.
5.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Рассмотрены материалы, из которых изготавливают СЭ. Приведены и проанализированы факторы, влияющие на эффективность и выходные характеристики солнечных батарей. Представлены модели, применяемые для имитирования СБ, приведены их достоинства и недостатки. В результате проведенного анализа поставлены задачи диссертационного исследования. В главе 2 в соответствии с целью диссертационного исследования дан алгоритм создания математической модели СБ. Рассмотрены входные и выходные параметры модели. Представлено общее математическое описание солнечных элементов и батарей, указаны используемые языки имитационного моделирования. Дано понятие адекватности модели и поставлена задача верификации данных моделирования в процессе реализации модели. В главе 3 выполнено моделирование СЭ и СБ на языке РБрюе, приведены основные результаты и проанализировано их соответствие теоретическим данным. Показаны и обоснованы допущения, применяемые при построении модели, приведен анализ общих закономерностей изменения электрических параметров СЭ и СБ. Представлены недостатки описания модели СБ на языке РБрюе. В главе 4 описана полная модель солнечных батарей в среде МааЬ БппиНпк, позволяющая имитировать множество свойств СБ под влиянием различных факторов. В главе 5 проведено сравнение качественных и количественных результатов моделирования. Оценена точность, адекватность, а также другие свойства реализованной модели. Показано практическое применение моделирования солнечных батарей. Построение математической модели солнечных батарей включает в себя несколько этапов. Важнейший начальный этап создания модели - получение по возможности более четкого представления о моделируемом объекте и уточнение его содержательных характеристик, а также анализ достоинств и недостатков существующих моделей СБ. Солнечные элементы преобразуют энергию фотонов в электричество. Существуют различные типы полупроводниковых СЭ с разнообразными характеристиками. Выходные параметры СЭ и СБ зависят от множества факторов - собственных характеристик материала фотоэлементов, конструктивных особенностей СЭ и условий окружающей среды. Влияние различных параметров на выходные характеристики СБ необходимо описать математически. Простейшая модель СЭ представляет собой источник фототока, зависящего от интенсивности излучения, и встречно включенный диод. Солнечные элементы. Идеализированная аналитическая модель. СЭ изготавливают из пластин р- и /7-типа, на которые наносят легирующие слои с одной или несколькими примесями для образования р-п переходов ]. Рассмотрим солнечный элемент со слоем /7-типа, созданным в поверхностном базовом слое р- типа (рисунок 1). Пусть СЭ освещается солнечным светом. Фотоны с различной энергией поглощаются в полупроводниковом материале на различной глубине - фотон А имеет большую энергию (меньшую длину волны), чем фотон В. Фотоны А и В выбили электроны из соответствующих атомов, на месте выбитых электронов образовались две дырки (появились электронно-дырочные пары аа' и ЪЬ рисунок 1а). Электроны притягиваются п- областью, а дырки -р- областью (с и с’). Электроны с1у е, / и ? Па поверхности раздела контакт-/? Отмстим, что р-п переход является идеализированным электрическим понятием, не отражающим все особенности реального физического перехода. Теоретическая модель СЭ получается из уравнений физики твердого тела. Приведем наиболее существенные моменты вывода математической модели фотоэлемента. При температурах выше О К температурные колебания атомной решетки приводят к появлению свободных электронов и дырок, движущихся хаотически, в материалах р- и п- типа. Благодаря легированию примесями концентрация свободных дырок рр в материале р- типа намного больше их концентрации рп в материале п- типа. Эффективность СЭ с р-п переходами зависит от токов неосновных носителей заряда. По обе стороны перехода имеется избыток носителей, в переходе существует градиент концентрации дырок ф/с? Аналогичное утверждение справедливо для электронов. Плотности диффузионных токов электронов .