Ishning maqsadi va vazifalari

I-bob. Quyosh elementlari va batareyalarining fizikaviy asoslari.
1.1. Quyosh elementlarining tuzilishi va ularni yigʻish.
Quyosh energiyasidan foydalanishning juda ham koʻp usullari mavjud boʻlib, bulardan eng effektivrogʻi - nurlanish energiyasini boshqa ko'rinishdagi energiyaga aylantirishda foydali ish koeffitsiyenti eng katta bo'lgan qurilma yarimoʻtkazgichli quyosh batareyasi boʻlib hisoblanadi.
Quyosh elementlari yorugʻlik 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 oʻtkazuvchanligiga begona ta'sirini eng ko'p qoʻllaniladigan, hamda sodda yarimo‘tkazgich hisoblangan kremniy yarimoʻtkazgich materiali misolida koʻraylik.
Hozirgi davrda ishlab chiqarilayotgan va inson ehtiyoji uchun elektr manbai sifatida qoʻllanilayotgan Quyosh elementlarining aksariyati kremniy (Si) materialidan tayyorlanmoqda. Bunga asosiy sabab, hozirgi zamon xalq xoʻjaligi ehtiyoji uchun ko'p qoʻllaniladigan mikroelektron asboblarning asosi kremniyligidir. Ikkinchidan, kremniy elementar yarimo‘tkazgich material boʻlib, u yer tarkibining 30 % ga yaqinini tashkil qilishi, hamda texnologiyasining
rivojlanganligidadir.
Bizga ma'lumki, sof holatdagi yarimo‘tkazgichlar elektr tokini deyarli oʻtkazmaydi. Bunga xususiy oʻtkazuvchanlik deyiladi. Xususiy oʻtkazuvchanlikda elektr tokini teng miqdordagi elektronlar va kovaklar tashiydi. Lekin unda juda oz miqdorda aralashma kiritilsa yarimoʻtkazgich materialning elektr
oʻtkazuvchanligini keskin oʻzgartirib yuboradi. Sof kremniy kristallidagi har bir atom toʻrttadan qo‘shni atomlari bilan tashqi valent elektronlari yordamida
kovalent yoki atomar bogʻlanish hosil qilib birikadi. Buni 1.1.2 - rasmda keltirilgan sodda chizma yordamida tasavvur qilish mumkin. Bunda har bir
kremniy atomi oʻzlarining elektronga boʻlgan ehtiyojlarini (elektromanfiylik yoki elektronga moyilliklarini) qo‘shni atomlar hisobiga qondiradi. Tugunlar orasidagi
fazoda birorta ham erkin zaryad tashuvchi (elektron yoki kovak) yoʻq. [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 boʻlgani sababli uning tashqi, valent, elektron qobigʻida 3 ta elektroni mavjud. Demak, kremniy atomlaridan birining
oʻrnini egallagan galliy atomi qo‘shni kremniy atomlari bilan kovalentbogʻlanishda faqat uchta elektron bilangina ishtirok qila oladi. Kovalent bogʻlanishda galliy atomida bitta elektron oʻrni egallanmay, bo‘sh qoladi. Bu bo'sh
oʻringa (kovakka), yuqorida koʻrganimizdek qo‘shni atom elektronlari koʻchib oʻtishi mumkin. Lekin, qiziq tomoni shundaki, bu bo'sh o‘ringa kremniy
atomlariga tegishli valent elektronlardan birortasi oʻtishi uchun ma'lum bir darajada energiya sarflanishi kerak (Eq).
Shuni ta'kidlash lozimki, bunda sarflanadigan energiya miqdori kremniy atomi birorta valent elektronini tugunlararo fazoga, ya'ni erkin holatga oʻtkazish
uchun sarflanadigan energiya miqdoridan (AE) ancha kichik boʻladi: E << ∆E.
Shunday qilib, ma'lum bir (En) energiya sarflab galliy atomidagi bo‘sh oʻrinni egallagan kremniy atomiga tegishli valent elektron oʻrniga endi qo‘shni kremniy
atomi elektronlari hech qanday energiya sarflamasdan oʻtaverishlari mumkin. Demak, kremniy yarimoʻtkazgichiga oz miqdorda galliy kirishmasini kiritish bilan
unda kovaklar soni muvozanatli holatdagiga nisbatan oshadi va yarimoʻtkazgichda asosiy tok tashuvchilar rolini kovaklar bajaradigan boʻladi. Bunday oʻtkazuvchanlik kovakli o‘tkazuvchanlik yoki positive "p" tipli oʻtkazuvchanlik deyiladi. Bunda kovaklar sonini ko'payishiga olib kelgan begona kirishma "akseptor" deyiladi.
Endi, aytaylik, shunday kremniy yarimoʻtkazgichiga Mendeleyev davriy sistemasining V guruh elementi, masalan, fosfor (P) oz miqdorda kiritildi deylik.
Fosfor 5 valentli element, ya'ni uning tashqi valent elektron qobigʻida 5 ta elektron mavjud. Kremniy kristall tugunchalarining biriga joylashgan fosfor atomi qo‘shni
4 ta kremniy atomlari bilan kovalent bogʻlanish hosil qilishda oʻzining 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 bogʻlangan holda qoladi. Bunday elektronga ancha kichik miqdordagi energiya berilishi bilan u "erkin" elektron holatiga oʻtadi. Kremniy atomidagi valent elektronlarni "erkin” holatga oʻtkazish uchun esa ancha katta (∆E=l eV) energiya berilishi kerak edi. Bunday elektronni «osongina» erkin elektronlar qatoriga beruvchi atom (koʻrilayotgan holda kremniyda fosfor atomi) donor turdagi atom deyiladi. Bunday holda hosil boʻlgan oʻtkazuvchanlik esa elektron tipli o‘tkazuvchanlik yoki negative “n” tipli oʻtkazuvchanlik deyiladi.
Endi "p" va "n" tipli oʻtkazuvchanlikka ega bo'lgan ikkita
yarimoʻtkazgichni kontaktga keltiraylik. Kontakt sohasida zaryad tashuvchilarning oʻzaro diffuziyasi: “n” yarimoʻtkazgichdan "p" yarimo‘tkazgichga va aksincha, "p" yarimo‘tkazgichdan “n” yarimoʻtkazgichga kuzatiladi. Natijada esa p- n oʻtish sohasi yuzaga keladi (1.1.3 - rasm).
Bir - biriga qarama - qarshi boʻlgan talablarni kompromiss texnik yechimlarga keltirish natijasida tushayotgan yorugʻlik nurlanishiga perpendikulyar joylashgan p - n oʻtishli Quyosh elementi konstruksiyasi tanlab olingan. Hozirgi zamonda ayrim qoʻshimchalar kiritilgan holda (tortuvchi elektr maydoni kiritilishi,
orqa tomondagi kontaktga izotip toʻsiqlar olish, butun qoplamali kontaktni toʻrsimon kontaktga almashtirish, sirtki yuzani teksturalash, orqa tomonga
akslantiruvchi qoplamalar yasash) yuqoridagi konstruksiya saqlab qolingan.
Quyosh elementini samaradorligini oshirish maqsadida uning frontal yorugʻlikni 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.
Quyosh elementi frontal, optik nurlanishga qaratilgan yuzasini, odatda fosfor atomlari kiritilgan kremniyning yupqa qatlamidan tayyorlanadi va uni 1020 sm gacha va undan ham koʻproq darajagacha legirlashadi.
Elementning bazasiga esa bor kirishmasi 105 - 1016 sm darajagacha kiritiladi. Quyosh elementining optik nurlanishga qaratilgan frontal sirtini 5 – 7 % gacha egallagan har xil topologiyali toʻrsimon kontakt bilan qoplanadi. Elementning orqa sirtining yuzasi esa butunlay qoplama yoki toʻrsimon qoplama bilan qoplanadi.
P-n o'tishdan elektr maydoni vositasida ajratilayotgan asosiy boʻlmagan zaryad tashuvchilar tashqi zanjirga oʻtishi kerak. Yarimoʻtkazgich material frontal sirtida (“n” tur qoplamada) zaryadlar qoplama boʻylab harakatlansa, quyosh elementi bazasida (“p” tipdagi materialda) ularning harakati perpendikulyar yo'nalishda boʻladi.
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.
Ilmiy tadqiqotlar shuni koʻrsatadiki, 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 koʻplab mikro teshilgan hududlar paydo bo'lar ekan. Bu esa o'z navbatida, shunt qarshiligini kamaytirib teskari toʻyinish toki lo 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 boʻlib, texnologik jarayonlar mukammal bajarilsa, Quyosh elementining volt – amper xarakteristikasi (VAX) keskin yaxshilanadi. Quyosh elementi ishiga yorugʻlikning qaytish va yutilish koeffitsientlari ta'sir koʻrsatadi. Quyosh elementi sirtiga har xil qoplamalar qoplash bilan uning optik xarakteristikalarini, buning oqibatida foydali ish koeffitsiyenti (FIK) ni oshirish mumkin. Tabiiyki spektrning ishchi zonasida yorugʻlik 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 boʻladi.






1.1.3-rasm. Quyosh elementini tuzilishi, elektron va elektr toki oqimi yo'nalishi. Quyosh elementlarni batareya qilib yigʻish katta miqdorda elektr ulashlarni bajarishni talab qiladi, sababi Quyosh elementlarning batareyadagi soni oʻn ming, ba'zan yuz ming donani tashkil qiladi. [1] Quyosh elementlarini yigʻish asosan ishlab chiqarish korxonalarida amalga oshiriladi. 1.1.4 - rasmda Quyosh
elementlarni guruhlarga birlashtirish sxemasi keltirilgan bo'lib, bu sxema elementar batareya deyiladi. Quyosh elementlarini ehtiyojga qarab ularni turli xil ulashlar yordamida yigʻish mumkin. Masalan, 1.1.4 a - rasmda ikkita Quyosh elementini bir - biriga parallel ulash orqali ulardan Quyosh batareyasi hosil qilingan. 1.1.4 b - rasmda esa ikkit Quyosh elementi ketma-ket ulangan. 1.1.4-d
rasmdan koʻrinib turibdiki, ikkita Quyosh elementi ketma - ket va oʻz navbatida ular bir - birlariga oʻzaro parallel ulangan. 1.1.4 e - rasmda uchta Quyosh elementi
parallel ulanib, ular yana parallel ulangan uchta Quyosh elementiga oʻzaro ketma-ket ulangan. Demak, toʻliq batareya bir – biriga ketma-ket ulangan bir nechta
elementar batareyalardan tashkil topar ekan. Bunday ulashlar ulash qoidalariga asosan amalga oshiriladi. Elektr bo'limidan bizga ma'lumki, elementlar ketma -ket ulanganda umumiy kuchlanish har bir elementning kuchlanishlari yigʻindisiga teng, tok kuchi esa oʻzgarmas boʻlib, bitta element orqali oqib oʻtayotgan tok kuchiga teng:
U = U1 + U2+U3+ ... + Un


Ium = I1 = I2 = I3= … = In = const


Parallel ulanganda esa, kuchlanish o„zgarmas bo„lib, bitta element hosil qilgan kuchlanish qiymatiga teng, umumiy tok kuchi har bir elementdan oqib o'tayotgan tok kuchlari yigindisiga teng bo'ladi, yani:
Uum = U1 = U2 = U3 = … = Un= const
Ium = I1 + I2 + I3 + … + In
Aralash ulashda Uum va Ium lar yuqoridagi formulalarni zanjir qismlariga qo'llash orqali aniqlanadi. (1.1.4.rasm)