Quyosh elementlari va batareyalarining fizikaviy asoslari

Quyosh elementlarining va batareyalarining fizikaviy xossalari
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 (E_a).
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 (AE) ancha kichik bo’ladi: E_a << AE. Shunday qilib, ma’lum bir (E_a) 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.
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 (AE 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
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.
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.

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.

1.1- rasm. Quyosh batareyasining umumiy ko’rinishi.

1.2 rasm. Quyosh elementini tuzilishi, elektron va elektr toki oqimi yo‘nalishi.
Quyosh elementlarni batareya qilib yig’ish katta miqdorda elektr ulashlarni bajarishni talab qiladi, sababi Quyosh elementlarning batareyadagi soni o’n ming, ba’zan yuz ming donani tashkil qiladi. Quyosh elementlarini yig’ish asosan ishlab chiqarish korxonalarida amalga oshiriladi. Quyosh elementlarni guruhlarga birlashtirish sxemasi keltirilgan bo’lib, bu sxema elementar batareya deyiladi. Quyosh elementlarini ehtiyojga qarab ularni turli xil ulashlar yordamida yig’ish mumkin. Masalan, ikkita Quyosh elementini bir - biriga parallel ulash orqali ulardan Quyosh batareyasi hosil qilingan. ikkit Quyosh elementi ketma - ket ulangan. ikkita Quyosh elementi ketma - ket va o’z navbatida ular bir - birlariga o’zaro parallel ulangan. Uchta Quyosh elementi parallel ulanib, ular yana parallel ulangan uchta Quyosh elementiga o’zaro ketma - ket ulangan. Demak, to’liq 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 yig’indisiga teng, tok kuchi esa o’zgarmas bo’lib, bitta element orqali oqib o’tayotgan tok kuchiga teng:
Uum = U + U2 + U3 + ... + Un

Bu jarayon elektron - kovak juftlari generatsiyasi deyiladi. Agarda elektron va kovaklar hosil bo’lish jarayoni berkituvchi qatlamga yaqin sohada amalga oshsa, berkituvchi qatlam elektr maydoni tufayli elektronlar “n” sohaga tomon, kovaklar esa “p” sohaga tomon o’tkazib tashlanadi. Bu hodisa tok tashuvchilarning “p - n” kontaktida ajralishi (saralanishi) deyiladi. Bu hodisa tufayli “p” yarimo’tkazgich musbat, “n” yarimo’tkazgich esa manfiy zaryadlanadi.

Natijada, yarimo’tkazgichning “p” va “n” sohalari orasida potensiallar farqi, ya’ni, elektr yurituvchi kuch vujudga keladi. Bunday “p - n” o’tish fotoelement yoki Quyosh elementi deyiladi.
Ma’lum bir yarimo’tkazgich asosiga qurilgan Quyosh elementi uchun EYuK qiymati yorug’lik intensivligiga hamda elektron kovak juftlari hosil bo’layotgan soha “p - n” o’tishga qay darajada yaqinligiga bog’liq.
Chunki, berkituvchi qatlamdan uzoq masofada generatsiyalangan elektron - kovak juftlari “p - n” o’tishga yetib kelgunlariga qadar rekombinatsiya tufayli yo’qolib qoladilar, ya’ni elektron “o’z o’rni”ga (kovakka) tushib bog’langan holatga o’tadi va tok tashishda yoki EYuK hosil bo’lish jarayonida ishtirok eta olmaydi.1.2.3 - rasmda esa Quyosh batareyasining ishlash prinsipi berilgan.

1.3-rasm. Yorug’lik tushirilgan holatda p - n o’tishning energetik sxemasi



1.4-rasm. “n — p” o’tishning tekislikdagi sxemasi. • yarimo’tkazgich atomi; — elektronlar;+ kovaklar; ©,© ionlashgan atomlar; d berkituvchi qatlam qalintigi.
Yarimo’tkazgichli fotoelementlarni Quyosh batareyasi sifatida ishlatishda Quyoshdan kelayotgan radiatsiyaning spektral tarkibini bilish masalaning asosiy tomonlaridan biri bo’lib hisoblanadi.
Sohali o‘stirish bu usulning Bridjmen usulidan farqi shundaki, bu usulda ikkita pech ishlatiladi, biri harorati Ter, ikkinchisi harakatchan konstruksiyali qisqa zonali harorati T>T_er. Bu usulda erigan modda tigyel devorlari bilan kamroq kontaktda bo’lgani uchun o’stirilayotgan kristall kamroq ifloslanadi. Choxralskiy usuli. Bu usul asosan sanoat ko’lamida Ge va Si ishlab chiqarishda ishlatiladi. Bu esa Choxralskiy usulining prinsipial sxemasi berilgan. Yuqoridagi usuldan uning farqlaridan biri bu tigyelsiz usul bo’lib, o‘stirilayotgan kristall o’lchamini nazorat qilish mumkin, hamda o’sish sur’atini nazorat qilish imkoniyati mavjud