Elektroenergiya turlari - Tayyorlash va ularning malakasini oshirishni tashkil etish bosh ilmiy metodik markazi...

Elektroenergiya turlari
Quyosh yordamida
ishlab chikarilgan
elektroenergiya
Shamol yordamida
ishlab chiqarilgan
elektroenergiya
Suv erdamida ishlab
chiqarilgan elektroenegiya
Afzalligi
Kamchili
gi
Afzalligi
Kamchiligi
Afzalligi
Kamchiligi
Xulosa:
III.
NAZARIY MATERIALLAR
1-mavzu: Yarim o‘tkazgichli kristallarning optik va elektrik xususiyatlari.
Yarimo‘tkazgichli quyosh elemenlarida quyosh nurlanishini elektr
energiyasiga aylantirish
Reja:
1.
Yarim o‘tkazgichli kristallarning optik va elektrik xususiyatlari.
2.
Yarimo‘tkazgichli quyosh elemenlarida quyosh nurlanishini elektr
energiyasiga aylantirish.
3.
Quyosh elementlari konstruksiyalari.
1.1.
Yarim o‘tkazgichli kristallarning optik va elektrik xususiyatlari.
Quyosh elementlari (QE) asosan yarim o‘tkazgichli (YAO‘) materiallar
asosida tayerlanadi. Shuning uchun QE optik va fotoelektrik xususiyatlarini bilish
YAO‘ materiallar tuzilishini, ularning metallar va dielektrik materiallardan farkini
va YAO‘ materiallar uchun bevosita asosiy bo‘lgan xususiyatlarni o‘rganishni
taqozo etadi.
Qattiq jismlar hosil bo‘lishini YAO‘ materiallar misolida elektron nazariyasi
nuqtai nazaridan ko‘rib o‘tamiz. Qattiq jism hosil bo‘lishi jarayonida, atomlarning
bir-biriga nisbatan yaqinlashishi shu darajagacha boradiki, natijada tashqi
qobiqdagi elektronlarning umumlashishi hosil bo‘ladi. Atomdagi alohida
elektronlarning yakka ayrim orbitalari o‘rniga umumlashgan kollektiv orbitalar
hosil bo‘ladi, va atomdagi qobiqchalar sohalarga birlashadi hamda ular umuman
kristallga tegishli bo‘lib qoladi. Elektronlar harakatining xarakteri mutlaq
o‘zgaradi, ma’lum atomda va ma’lum energetik satxda joylashgan elektronlar
energiyasini o‘zgartirmasdan shu energetik sathdagi boshqa qo‘shni atomga o‘tish
imkoniyatiga ega bo‘ladi va, binobarin elektronlarni kristallda erkin siljishi
kuzatiladi.
Kristallning izolyasiya holatidagi barcha atomlarning ichki qobiqlari
elektronlar bilan to‘la bo‘ladi. Faqat eng yuqoridagi ayrim sathlardan iborat valent
elektronlari joylashgan sohadagina, sathlar to‘laligicha egallanmagan bo‘ladi.
Kristallning elektr o‘tkazuvchanligi, optik va boshqa xususiyatlari asosan valent
sohasining to‘ldirilish darajasiga va undan yuqoridagi sohagacha bo‘lgan energetik
masofa bilan aniqlanadi va unga o‘tkazuvchanlik sohasi deyiladi. Issiqlik va optik
kuzg‘atilish hisobiga o‘tkazuvchanlik sohasiga valent sohasidan elektronlar o‘tishi
va elektr tokini o‘tkazishda ishtirok qilishi mumkin. Valent sohasida hosil bo‘lgan
bo‘sh o‘rinoarga elektronlarning ko‘chishi, unga qarama-qarshi bo‘lgan musbat
zaryadlarning harakatini hosil qiladi va bu zaryadlarga teshiklar deyiladi.
Dielektriklar deb, valent sohasi to‘ldirilgan va bu sohadan keyingi,
o‘tkazuvchanlik sohagacha energetik masofa nisbatan katta bo‘lgan moddalarga
aytiladi.
Metallar uchun boshqa tuzilish xarakterlidir, ularda bevosita valent sohasi
qisman to‘ldirilgan bo‘ladi, yoki u keyingi soha-o‘tkazuvchan sohasi bilan
kirishishgan bo‘ladi.
Agar moddaning valent sohasi to‘laligicha egallanmagan bo‘lsayu, ammo
o‘tkazuvchanlik sohasigacha bo‘lgan energetik masofa nisbatan kichik (2 eV dan
kamroq) bo‘lsa, bunday moddalar YAO‘ deyiladi. YAO‘ xususiyatlari xususan
elektr o‘tkazuvchanligi tashqi muhitga, ayni=sa haroratga bog‘lik bo‘ladi.Harorat
(T)ning ortishi elektronlar miqdorining valent va o‘tkazuvchanlik soha orasida
joylashgan man qilingan sohadan ( Eg ) o‘tib o‘tkazuvchanlik sohasiga o‘tishda tok
tashuvchilarning eksponensial ravishda ko‘payishiga va elektr o‘tkazuvchanlikning
(σ)
σ =Aexp(-Eg/2kT) (1)
tenglamaga asosan o‘zgarishiga olib keladi. Bu erda k– Bolsman doimiyligi, A –
moddani xarakterlovchi o‘zgarmas kattalik.
Metallarning elektr o‘tkazuvchanligi erkin elektronlar konsentratsiyasi
o‘zgarmas bo‘lganligi tufayli elektronlar harakatchanligining haroratga bog‘likligi
bilan aniqlanadi va haroratning ortishi bilan asta-sekin kamayadi..
YUqoridagi tenglamani logariflab quyidagi holda ifoda etamiz.
ℓnσ=ℓnA- E/2kT (2)
Bu tenglamani yarim logarifmik koordinatalarda grafik ravishda ko‘rsatish
mumkin va hosil bo‘lgan to‘g‘ri chiziq va uning φ burchakli tangensi YAO‘
materiallarning asosiy parametri bo‘lgan, man qilingan soha kengligi bo‘lgan
Eg=2kTφ ni aniqlaydi. Ta’kidlash lozimki, qiya to‘g‘ri chiziq ,ya’ni elektr
o‘tkazuvchanlikning logarifmi 1/T dan o‘zgarishi faqat toza kirishmalardan xoli,
xususiy o‘tkazuvchanlikka ega bo‘lgan materiallar uchungina shunday ko‘rinishga
ega.
Kirishmali yarim o‘tkazgichlarda lnG ning 1/T dan bo/lanishi murakkab
bo‘lib, u ikkita qiya to‘g‘ri chiziqdan iborat bo‘lishi mumkin va bir-biri bilan
gorizontal qism orqali tutashgan bo‘ladi. Past haroaratli sharoitda o‘lchash
natijasida olingan ℓnσ=ℓnA- E/2kT tenglamadan hosil qilingan qiya to‘g‘ri chiziq
tangensi yordamida kirishmalarning man qilingan sohada joylashgan energetik
sathlari holatini aniqlash mumkin. ,YUqori haroratli sharoitda olingan hollarda esa
YAO‘ materialning man qilingan sohasi kattaligini, ya’ni Eg ni aniqlash mumkin.
QE tayerlashda quyosh nurlanishining YAO‘ material bilan o‘zaro ta’siri,
fotonlar energiyasi materialdagi elektronlarda yutilishi va chiqishi jarayonlari
muhim ahamiyatga egadir.
Kvant mexanikasida elementar zarrachalar, shu jumladan elektronlar ham
to‘lqin xossalariga ham ega deb qaraladi. SHuning uchun elementar zarrachalar
harakatini o‘rganishda energiya (E) va impuls (R) bilan bir qatorda, ularning
to‘lqin uzunliklari λ va takrorlanuvchanligi ν va to‘lqin vektori K=P/h, ( h- Plank
doimiyligi ) ham ishlatiladi. Bu erda E=h ν va P=h/ λ ga teng.
Kristallning sohali tuzilmasini E – K diagrammalar bilan tasvirlash mumkin.
Bu erda energiya elektron-voltlarda (eV) to‘lqin vektori K – kristalli panjara
doimiyligi qismlarida ko‘rsatiladi, shu bilan birga K o‘qida ko‘rsatkichlar
yordamida
kristall
orientatsiyasining
yo‘nalishi ko‘rsatiladi. E – K
diagrammasining ko‘rinishi vositasida sohalararo o‘tishlarning YAO‘ materialdagi
xarakteri va jumladan o‘tishning «to‘g‘ri» yoki «to‘g‘rimas»ligini aniqlash
mumkin.
Optik yutilishni o‘lchashdan aniqlangan Eg ning kattaligi, ko‘pincha YAO‘
materialdagi erkin zaryad tashuvchilarning konsentratsiyasiga, haroratga va
kirishmalar energetik sathlarining man qilingan sohada mavjudligiga bog‘lik
bo‘ladi. Agar o‘tkazuvchanlik sohasi tubidagi va valent sohasi ustidagi holatlar
zaryad tashuvchilar bilan to‘ldirilgan bo‘lsa, u holda optik o‘lchashlar natijasi
kirishmali YAO‘ li materiallar uchun E
g
sof xususiy materialga tegishli
qiymatidan kattaroq bo‘lishi mumkin. Agar kirishmalar hosil qilgan soha eng yaqin
ruxsat etilgan soha chegarasi bilan birlashib ketsa,masalan, ko‘p miqdordagi
kirishmalar kiritilganda kuzatiladigan holat, u holda Eg kamayadi. Eg ning bunday
kamayishi asosiy yutilish chegarasiga ta’sir qiladi.
YAO‘ materialda yutilish koeffitsienti α odatda to‘lkin energiyasining 1/ α
masofada e marotaba kamayishi orqali aniqlanadi va u N=N
o
exp(-αℓ) dan
topiladi, bu erda N – YAU materialda ℓ chuqurlikka kirgan fotonlar oqimining
zichligi, N
o
– material sirtini kesib utuvchi fotonlar oqimining zichligi.
Rasm
2. Yarim o‘tkazgichli ayrim materiallar uchun yutilish ko‘rsatkichining
energiyadan o‘zgarishi. 1- Si, 2-CdTe, 3-GaAs, 4-InP.
Materialning yutilish koeffitsienti α yutilish ko‘rsatkichi K bilan α=4πK/λ
munosabat orqali bog‘langan. Shunday qilib, ma’lum va aniq qalinlikka ega
bulgan YAO‘ material namunalaridan o‘taetgan optik nurlanish intensivligini
o‘zgartirib K va λ ning shu modda uchun qiymatlarini topish mumkin.
Quyosh elementlari tayyorlanadigan ayrim YAO‘ materiallar uchun 2-
rasmda α ning energiya bo‘yicha o‘zgarishi keltirilgan.
Rasmdan ko‘rinadiki yutilish ko‘rsatkichi α ning spektral xarakteristikasi
keltirilgan YAO‘ materiallarda bir-biridan katta farq qiladi va bu farq asosan
ularning sohali tuzilmasi va optik o‘tishlar xarakteriga bog‘likdir. GaAs, InP, CdTe
YAO‘ materiallarda to‘g‘ridan-to‘g‘ri soha-soha xarakterdagi optik o‘tishlar
mavjud bo‘lib, nurlanish spektrida Eg dan ortiq energiyali fotonlar paydo bo‘lishi
bilan α tezda 10
4
– 10
5
smˉ¹ darajasiga ko‘tariladi.
Kremniy materialida esa yutilish jarayoni 1,1 eV dan boshlab to‘g‘ri
bo‘lmagan energetik o‘tishlar orqali bo‘ladi va buning uchun xam yoru/lik kvanti,
hamda panjara tebranishlari kvanti-fononlar ishtiroki talab qilinadi.. SHuning
uchun, yutilish kursatkichi α asta-sekin ortib boradi. Faqat fotonlar energiyasi 2,5
eV ga etgandan keyingina soha-sohali o‘tishlar to‘g‘ridan-to‘g‘ri o‘tishlarga
aylanadi va yutilish keskin orta boshlaydi.
Yutilish koeffitsientining spektral xarakteristikasi shuni ko‘rsatadiki, kremniy
materialini qo‘llab quyosh spektrining juda katta qismini elektr tokiga aylantirish
mumkin. Misol uchun atmosferadan tashqaridagi quyosh nurlanishi uchun (AM O)
bu 74% tashkil qiladi. Holbuki, agar material sifatida GaAs YAO‘ olinsa faqat 63
% quyosh nurlanishini elektr energiyasiga aylantirish mumkin. Ammo,
«to‘g‘rimas» optik o‘tishlarning asosiy yutilish chegarasida λ ning qiymati katta
bo‘lmaganligi sababli, butun keltirilgan quyosh spektri yutilishi uchun kremniyli
QE ning qalinligi 250 mkm dan kam bo‘lmasligi kerak. Holbuki xuddi shunday
sharoit uchun GaAs materialining qalinligi 2-5 mkm bo‘lishi kifoyadir. SHuning
uchun, spektral xarakteristikaning bu xususiyatlarini yuqori samarali va yupqa
qatlamli QE ishlab chiqishda ahamiyati katta ekanligini doimo hisobga olish zarur.
Agar YAO‘ sirtga tushayotgan fotonlar energiyasi kam bo‘lib, yutilish
natijasida elektronlarni valent sohasidan o‘tkazuvchanlik sohasiga chiqara olmasa,
nurlanish ta’sirida elektron kristall ichida ruxsat etilmagan sohalarga o‘tishi
mumkin. Bunday holat uchun yutilishning spektral xarakteristikasining asosiy
yutilish chegarasidan keyingi uzun to‘lqinli qismida sezilishi mumkin. Bunday
yutilish erkin zaryad tashuvchilar yutilishi deyiladi va bu jarayon shunday zaryad
tashuvchilar konsentratsiyasiga bog‘lik bo‘ladi. Erkin zaryad tashuvchilar engil
ionizatsiya bo‘la oladigan kirishmalar konsentratsiyasiga bog‘lik bo‘lgani uchun,
yutilish ham unga to‘g‘ridan –to‘g‘ri bog‘lik buladi. YAO‘ materiallarda bunday
uzun to‘lqinli yutilish xususiyatlarini o‘rganish natijasida yutilishning bir necha
turi mavjudligi aniqlangan. Jumladan, fazoviy panjara tebranishlarida yutilish,
kirishmalarda yutilish, eksitonlarda yutilish. Eksiton – bog‘langan elektron-teshik
juftligi bo‘lib zaryad tashuvchilar konsentratsiyasini o‘zgartirmaydi. Chunki
kristall ichida alohida elektron yoki teshik xarakatlari emas, balki bog‘langan
holat xarakatidir.
Yutilish spektrlari kristall tuzilishi xususida kerakli va har tomonlama
foydali informatsiya beradi, jumladan, legirlanish darajasi, kirishmalarning
aktivlanish energiyasini va ularning man qilingan sohada joylashgan energetik
sathlarini aniqlab beradi. Masalan, yutilish spektrlari asosida kremniyda
kislorodning bor yuqligini aniqlash mumkin (9 mkm). YAO‘ materiallarda
akslanish koeffitsienti asosiy yutilish chegarasida uy sharoitida ionizatsiya
bo‘ladigan kiritilgan kirishmalar darajasiga bog‘lik emas. Ammo spektrning uzun
to‘lqinli sohasida akslanish koeffitsienti R, bunday kirishmalar ortishi bilan keskin
o‘sishi kuzatiladi.
|