Qarshi muhandislik-iqtisodiyot instituti elektronika va avtomatika fakulteti texnologik jarayonlarni avtomatlashtirish va boshqaruv kafedrasi

Quyosh elementlarining parametrlarini hisoblash.


Ishdan maqsad: Quyosh elementlarining tuzilishi va ularni yig‘ish.


Quyosh elementlarining tuzilishi va ularni yig‘ish.
Quyosh energiyasidan foydalanishning juda ham ko’p usullari mavjud bo’lib, bulardan eng effektivrog„i – nurlanish energiyasini boshqa ko’rinishdagi energiyaga aylantirishda foydali ish koeffitsiyenti eng katta bo’lgan qurilma yarimo’tkazgichli quyosh batareyasi bo’lib hisoblanadi [2].
Quyosh elementlari yorug„lik energiyasini elektr energiyaga aylantirib beradi. Quyosh elementlari to’plami esa Quyosh batareyasini hosil qiladi (1.1.1 – rasm).
Xo’sh, Quyosh elementi qanday tuzilgan?
Yarimo’tkazgichning elektr o’tkazuvchanligiga begona ta’sirini eng ko’p qo’llaniladigan, hamda sodda yarimo’tkazgich hisoblangan kremniy yarimo’tkazgich materiali misolida ko’raylik.
Hozirgi davrda ishlab chiqarilayotgan va inson ehtiyoji uchun elektr manbai sifatida qo’llanilayotgan Quyosh elementlarining aksariyati kremniy (Si) materialidan tayyorlanmoqda. Bunga asosiy sabab, hozirgi zamon xalq xo’jaligi ehtiyoji uchun ko’p qo’llaniladigan mikroelektron asboblarning asosi kremniyligidir. Ikkinchidan, kremniy elementar yarimo’tkazgich material bo’lib, u yer tarkibining 30 % ga yaqinini tashkil qilishi, hamda texnologiyasining rivojlanganligidadir [7].
Bizga ma’lumki, sof holatdagi yarimo’tkazgichlar elektr tokini deyarli o’tkazmaydi. Bunga xususiy o’tkazuvchanlik deyiladi. Xususiy o’tkazuvchanlikda elektr tokini teng miqdordagi elektronlar va kovaklar tashiydi. Lekin unda juda oz miqdorda aralashma kiritilsa yarimo’tkazgich materialning elektr o’tkazuvchanligini keskin o’zgartirib yuboradi. Sof kremniy kristallidagi har bir atom to’rttadan qo’shni atomlari bilan tashqi valent elektronlari yordamida kovalent yoki atomar bog„lanish hosil qilib birikadi. Buni 1.1.2 – rasmda keltirilgan sodda chizma yordamida tasavvur qilish mumkin. Bunda har bir kremniy atomi o’zlarining elektronga bo’lgan ehtiyojlarini (elektromanfiylik yoki elektronga moyilliklarini) qo’shni atomlar hisobiga qondiradi. Tugunlar orasidagi fazoda birorta ham erkin zaryad tashuvchi (elektron yoki kovak) yo’q. [1]
Aytaylik, kremniy kristaliga, ma’lum bir konsentratsiyada begona kirishma sifatida, Mendeleyev davriy sistemasining III guruh elementlaridan biri, masalan, galliy kiritilgan deylik. Galliy 3 valentli atom bo’lgani sababli uning tashqi, valent, elektron qobig„ida 3 ta elektroni mavjud. Demak, kremniy atomlaridan birining o’rnini egallagan galliy atomi qo’shni kremniy atomlari bilan kovalent bog„lanishda faqat uchta elektron bilangina ishtirok qila oladi. Kovalent bog„lanishda galliy atomida bitta elektron o’rni egallanmay, bo’sh qoladi. Bu bo’sh o’ringa (kovakka), yuqorida ko’rganimizdek qo’shni atom elektronlari ko’chib o’tishi mumkin. Lekin, qiziq tomoni shundaki, bu bo’sh o’ringa kremniy atomlariga tegishli valent elektronlardan birortasi o’tishi uchun ma’lum bir darajada energiya sarflanishi kerak (Ea).
Shuni ta’kidlash lozimki, bunda sarflanadigan energiya miqdori kremniy atomi birorta valent elektronini tugunlararo fazoga, ya’ni erkin holatga o’tkazish uchun sarflanadigan energiya miqdoridan (ΔE) ancha kichik bo’ladi: Ea << ΔE. Shunday qilib, ma’lum bir (Ea) energiya sarflab galliy atomidagi bo’sh o’rinni egallagan kremniy atomiga tegishli valent elektron o’rniga endi qo’shni kremniy atomi elektronlari hech qanday energiya sarflamasdan o’taverishlari mumkin. Demak, kremniy yarimo’tkazgichiga oz miqdorda galliy kirishmasini kiritish bilan unda kovaklar soni muvozanatli holatdagiga nisbatan oshadi va yarimo’tkazgichda asosiy tok tashuvchilar rolini kovaklar bajaradigan bo’ladi. Bunday o’tkazuvchanlik kovakli o’tkazuvchanlik yoki positive “p” tipli o’tkazuvchanlik deyiladi. Bunda kovaklar sonini ko’payishiga olib kelgan begona kirishma “akseptor” deyiladi. [2]
Endi, aytaylik, shunday kremniy yarimo’tkazgichiga Mendeleyev davriy sistemasining V guruh elementi, masalan, fosfor (P) oz miqdorda kiritildi deylik. Fosfor 5 valentli element, ya’ni uning tashqi valent elektron qobig„ida 5 ta elektron mavjud. Kremniy kristall tugunchalarining biriga joylashgan fosfor atomi qo’shni 4 ta kremniy atomlari bilan kovalent bog„lanish hosil qilishda o’zining 5 ta elektroni bilan ishtirok qiladi. Tabiiyki, fosfor atomining bitta elektroni bilan kovalent bog„da ishtirok qila olmay, fosfor atomiga uning boshqa elektronlariga nisbatan ancha zaifroq bog„langan holda qoladi. Bunday elektronga ancha kichik miqdordagi energiya berilishi bilan u “erkin” elektron holatiga o’tadi. Kremniy atomidagi valent elektronlarni “erkin” holatga o’tkazish uchun esa ancha katta (ΔE ≈ 1 eV) energiya berilishi kerak edi. Bunday elektronni «osongina» erkin elektronlar qatoriga beruvchi atom (ko’rilayotgan holda kremniyda fosfor atomi) donor turdagi atom deyiladi. Bunday holda hosil bo’lgan o’tkazuvchanlik esa elektron tipli o’tkazuvchanlik yoki negative “n” tipli o’tkazuvchanlik deyiladi.
Endi “p” va “n” tipli o’tkazuvchanlikka ega bo’lgan ikkita yarimo’tkazgichni kontaktga keltiraylik. Kontakt sohasida zaryad tashuvchilarning o’zaro diffuziyasi: “n” yarimo’tkazgichdan “p” yarimo’tkazgichga va aksincha, “p” yarimo’tkazgichdan “n” yarimo’tkazgichga kuzatiladi. Natijada esa p – n o’tish sohasi yuzaga keladi (1.1.3 – rasm). [5]
Bir – biriga qarama – qarshi bo’lgan talablarni kompromiss texnik yechimlarga keltirish natijasida tushayotgan yorug„lik nurlanishiga perpendikulyar joylashgan p – n o’tishli Quyosh elementi konstruksiyasi tanlab olingan. Hozirgi zamonda ayrim qo’shimchalar kiritilgan holda (tortuvchi elektr maydoni kiritilishi, orqa tomondagi kontaktga izotip to’siqlar olish, butun qoplamali kontaktni to’rsimon kontaktga almashtirish, sirtki yuzani teksturalash, orqa tomonga akslantiruvchi qoplamalar yasash) yuqoridagi konstruksiya saqlab qolingan.
Quyosh elementini samaradorligini oshirish maqsadida uning frontal yorug„likni qabul qiluvchi tomoniga radiatsion – himoya qoplamasi, haroratni boshqaruvchi va yuzani tiniqlashtiruvchi qoplamalar hosil qilinadi. Quyosh elementining ishlashi jarayonida bu qoplamalar material ichiga kiruvchi nurlanish miqdorini ko’paytiradi, ortiqcha issiqlikni nurlantirish hisobiga kamaytiradi. Bundan tashqari qoplamalar yerda noqulay iqlim sharoitlarida va koinotda ularni radiasiyadan himoya qiladi. [13]
Quyosh elementi frontal, optik nurlanishga qaratilgan yuzasini, odatda fosfor atomlari kiritilgan kremniyning yupqa qatlamidan tayyorlanadi va uni 1020 sm-3 gacha va undan ham ko’proq darajagacha legirlashadi.
Elementning bazasiga esa bor kirishmasi 1015 – 1016 sm-3 darajagacha kiritiladi. Quyosh elementining optik nurlanishga qaratilgan frontal sirtini 5 – 7 % gacha egallagan har xil topologiyali to’rsimon kontakt bilan qoplanadi. Elementning orqa sirtining yuzasi esa butunlay qoplama yoki to’rsimon qoplama bilan qoplanadi.
Ρ – n o’tishdan elektr maydoni vositasida ajratilayotgan asosiy bo’lmagan zaryad tashuvchilar tashqi zanjirga o’tishi kerak. Yarimo’tkazgich material frontal sirtida (“n” tur qoplamada) zaryadlar qoplama bo’ylab harakatlansa, quyosh elementi bazasida (“p” tipdagi materialda) ularning harakati perpendikulyar yo’nalishda bo’ladi.
Tayyorlanadigan omik kontaktning birinchi qatlami alyuminiydan qilinadi. Alyuminiy “p” materialda kirishma bo’lgani uchun, u kremniyga yaxshi omik kontakt beradi va keyin uning ustiga Ti, Pd, Ag yoki Ni va kerakli pripoy qotishmasi qoplanadi. [1]
Ilmiy tadqiqotlar shuni ko’rsatadiki, agar frontal yupqa qatlamga kontakt materiali dastlab butun sirtga qoplama sifatida olinib, keyin ma’lum shaklli rasmni fotolitografik jarayon vositasi bilan ximik yemirish orqali bajarilsa, frontal yuzada ko’plab mikro teshilgan hududlar paydo bo’lar ekan. Bu esa o’z navbatida, shunt qarshiligini kamaytirib teskari to’yinish toki I0 ni oshirib yuborar ekan. Shuning uchun frontal kontaktlar topologiyasini niqob orqali yoki fotolitografik jarayonni kontakt olinishidan oldin o’tkazilishi talab qilinadi.
Agar hisob – kitob aniq bo’lib, texnologik jarayonlar mukammal bajarilsa, Quyosh elementining volt – amper xarakteristikasi (VAX) keskin yaxshilanadi. Quyosh elementi ishiga yorug„likning qaytish va yutilish koeffitsientlari ta’sir ko’rsatadi. Quyosh elementi sirtiga har xil qoplamalar qoplash bilan uning optik xarakteristikalarini, buning oqibatida foydali ish koeffitsiyenti (FIK) ni oshirish mumkin. Tabiiyki spektrning ishchi zonasida yorug„lik qaytishini kamaytirish muhim hisoblanadi. Quyosh elementlarning sovitilishini ta’minlash uchun maxsus qoplamalar yaratish kerak. Kosmosda ishlaydigan Quyosh batareyalari uchun bu dolzarb masala hisoblanadi, Quyosh elementlarning sovushi faqat atrof muhitga nurlanish hisobiga bo’ladi. [13]