1-bob. YaRimo’tkazgichlar va ular asosidagi quyoSh fotoelementlari to’G’risida umumiy tushunchalar

M U N D A R I J A

K I R I Sh

ASOSIY QISM

1-BOB. YaRIMO’TKAZGIChLAR VA ULAR ASOSIDAGI QUYoSh FOTOELEMENTLARI TO’G’RISIDA UMUMIY TUShUNChALAR.

1-§. Yarimo’tkazgichli kristallarning optik va elektrik xususiyatlari.
2-§. Yarimo’tkazgichli quyosh fotoelementlari va ularning tuzilishi.

11-BOB. QUYoSh FOTOELEMENTLARINING XARAKTERISTIKALARI.

1-§. Quyosh fotoelementining voltamper xarakteristikasi..
2-§. Quyosh fotoelementining foydali ish koeffitsienti

111-BOB. SAMARADORLIGI YuQORI BO’LGAN QUYoSh FOTOELEMENTLARI.

1-§. Kremniy asosidagi qori samarali QFE lari.
2-§. Kremniy asosida yupka qatlamli QFE tayyorlash usullari.
3-§ Quyosh elementlari tayyorlashda ishlatiladigan materiallar.
4-§. Geteroo’tishlar asosidagi quyosh fotoelementlari.


K I R I Sh

Mavzuning dolbzarbligi. Quyosh elementlari (QE), batareyalari va fotoelektrik qo’rilmalar xaqidagi bugungi tushunchalar tarixan 40 yillar oldin paydo bo’lib, so’nggi 10-15 yil davomida ular energiya manba’i sifatida xalq xo’jaligiga va oddiy kishilar turmushiga kirib keldi.

Hozir yarimo’tkazgichlar qo’llanilmaydigan soha topilmaydi. Yarimo’tkazgichlardan tayyorlangan asboblar endilikda avtomatika, radioelektronika, televideniya, kompyuter texnikasi kabi turmushimizning ravnaqi va muhtashamligini belgilab berayotgan sohalardagi ishlab chiqarishning asosini tashkil etadi. Yarimo’tkazgich asboblar ishlatilgan va qishloq xo’jaligida temperaturani aniq o’lchashda, tuproqning namligini aniqlashda, o’simlik va hayvonlarning eng muhim xususiyatlarini baholashda va boshqa ishlarni bajarishga yaroqli qurilmalardan foydalanish ko’lami kengayib bormoqda.
Yarimo’tkazgichlardan tayyorlangan fotoelementlar (quyosh batereyalari) quyoshdan kelayotgan yorug’lik energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantirib borishiga imkon tug’dirgan bo’lsa, termoelementlar (termogeneratorlar) quyoshning issiqlik energiyasi hisobiga elektr energiyasi olishga yordam bermoqda. Ular atrof-muhitni ifloslantirmay, zahiralari tugab borayotgan qazilma boyliklardan olinayotgan yonilg’ilardan foydalanmasdan, tuzilishi jihatidan sodda bo’lgan elektr energiyasi manbalari hisoblanadi.
Bu qo’rilmalarning ishlash mohiyati yarimo’tkazgichli materiallarda quyosh nurlanishining yutilishi va uning natijasida hosil bo’lgan zaryad juftliklarining yarimo’tkazgichda hosil qilingan potentsial to’siqlarda ajratilishi va tashqi elektr zanjiriga uzatilish jarayonlariga asoslangan.
Maazuning ilmiy yangiligi shundaki, hozirgi paytda quyosh energiyasini bevosita elektr energiyasiga aylantirish masalalari jahondagi deyarlik barcha davlatlarning kundalik ish rejalariga kiritilmoqda. Bu borada aniq dasturli vazifalarni amalga oshirish maqsadida O’zbekiston Prezidentining 1 mart 2013 yilda “ Muqobil energiya vositalaridan foydalanishni rivojlantirish to’g’risidagi ” Farmoni e’lon qilindi. Bu farmonda muqobil energiya vositalari, shu jumladan, kuyosh energiyasidan foydalanish zarurati va bu borada bajariladigan ishlar ko’lami ko’rsatib berilgan. Shu bilan birga bu farmonda Toshkentda Xalqora “ Quyosh instituti” tashkil etilishi va bu institutda muqobil energiya vositalaridan foydalanish masalalarini nazariy, ham amaliy bajarish bo’yicha ko’rsatmalar berilgan. Shu jihatdan olganda qtsyosh fotoelementlarining imkoniyatlarini o’rganish borasida olib borilgan har qanday tadqiqot ishi muhim ahamiyatga ega bo’la oladi.
Quyosh energetikasining o‘zbekiston respublikasida
rivojlantirish tamoyillari

Sayyoramizda bir necha million yillar davomida shakllangan an’anaviy yoqilg‘i –energetika zahiralarining keyingi yillarda jadal sur’atlarda kamayib borishi hamda insoniyatning kundan kunga o‘sib borayotgan ehtiyojlarini ta’minlash uchun juda katta miqdorda sarflanayotgan organik yoqilg‘ining yonishi natijasida yuzaga kelgan atrof-muhit ifloslanishining doimiy o‘sish sharoitlarida noan’anaviy va qayta tiklanuvchan muqobil

energiya manbalaridan keng miqyoslarda foydalanish barqaror rivojlanishning asosiy omillaridan biri hisoblanadi. Respublikamiz iqtisodiyoti rivojlanishining hozirgi bosqichida mamlakatimiz energetik xavfsizligini ta’minlash, aholining ijtimoiy maishiy turmush sharoitlarini yaxshilash, keyingi avodlarimiz uchun organik yoqilg‘i zaxiralarini saqlab qolish va mavjud ekologik holatni yumshatish borasida qayta tiklanuvchan energiya manbalaridan amaliy foydalanish miqyoslarini kengaytirish dolzarb hisoblanadi. Respublikamiz sharoitida qayta tiklanuvchan energiya manbalari majmuasiga quyosh nurlanishi energiyasi, oqar suv va shamol energiyalari, yerning ichki issiqlik energiyasi hamda biologik massa (o‘simlik va xayvonot mahsulotlari) energiyasi kiradi. Bajarilgan ilmiy tadqiqotlar natijalariga ko‘ra, mamlakatimizda mavjud qayta tiklanuvchan energiya manbalarining yillik texnikaviy imkoniyati 270 million tonna shartli yoqilg‘i energiyasiga teng bo‘lib, u son jihatdan hozirgi vaqtda Respublikamizning yillik ehtiyojlarini qondirish va sarflanayotgan birlamchi yoqilg‘i energetika resurslari miqdoridan 3 marta
ko‘pdir.
Respublikamiz hududlarida iqlimiy sharoitiga ko‘ra quyosh nurlanish energiyasidan foydalanish uchun qulay mintaqada joylashgan. Chunonchi, mamlakatimiz viloyatlarida yil davomida 250-270 kun bulutsiz ob-havo kuzatiladi va quyoshning charaqlab nur sochishi 2850-3050 soatni tashkil qiladi. Yil davomida Yer sirtini har bir kvadrat metriga tushadigan yig‘indi quyosh nurlaninshi energiyasi miqdori Toshkent viloyatida 6076 MDj, Samarqand va Xorazm 10 viloyatlarida mos ravishda 6398 va 6755 MDj ni tashkil qiladi va bu enegiya miqdorlari o‘z navbatida 173-193 m3 tabiiy gaz yonganda ajralib chiqadigan issiqlik energiyasiga tengdir. Agar tushayotgan quyosh energiyasini foydali ish koeffitsienti (ya’ni samaradorligi) 30 % bo‘lgan quyoshiy qurilmalar yordamida foydali issiqlikka aylantirilsa, bir kvadrat metr sathga ega bo‘lgan yassi quyosh qurilmalaridan foydalanish yiliga 85-90 m3 tabiiy gazni tejash imkonini beradi. Bundan tashqari bajarilgan ilmiy tadqiqot natijalariga ko‘ra, bir kvadrat metr sathga bo‘lgan quyosh nurlaridan issiqlik manbai sifatida foydalanish atrof-muhitga chiqarib tashalanadigan zararli gazlar (uglerod qo‘sh oksidi – CO2) miqdorini 120-130 kg kamaytirish mumkin.
Respublikamiz Prezidentining 2017 yil 7 fevraldan e’tiboran PF -4947 – son “O‘zbekiston Respublikasini yanada rivojlantirish bo‘yicha xarakatlar strategiyasi” to‘g‘risidagi va 2017 yil 26 maydan e’tiboran PQ -3012 – son “ 2017-2021” yillarda qayta tiklanuvchan energetikani yanada rivojlantirish, iqtisodiyot tarmoqlari va ijtimoiy sohada energiya samaradorligini oshirish chora tadbirlari to‘g‘risida” gi qaroriga muvofiq 2025 yilgacha umumiy energiya ishlab chiqarish tarkibiga qayta tiklanuvchan energiya manbalari ulushini 12,7 % dan 19,7 % gacha, shu jumladan gidroenergetika ulushini 15,8 %, quyosh energetikasi ulushini 2,3 % gacha, shamol energetikasini esa 1,6 % gacha o‘sishi qayd qilingan.
Respublikamizda quyosh energiyasidan keng miqyoslarda amaliy foydalanishning asosiy yo‘nalishlari uni issiqlik va elektr energiyalariga aylantirishdan iboratdir. Quyosh energiyasini issiqlik energiyasiga aylantirish va undan turar joy binolari va ijtimoiy-maishiy korxonalarning issiqlik ta’minoti tizimlarida issiqlik manbai sifatida foydalanish butun dunyodagi singari texnologik jihatdan tayyor soha hisoblanadi. Ta’kidlab o‘tish lozimki, Respublikamiz miqyosida har yili aholining issiqlik ta’minoti ehtiyojlari uchun ishlab chiqariladigan yoqilg‘i energetika resurslarining yarmi, ya’ni 37 million tonna shartli yoqilg‘i sarflanadi va uning taxminan 30 % issiq suv ta’minoti tizimlariga to‘g‘ri keladi.
Respublikamiz olimlarining quyosh energiyasidan issiqlik ta’minoti tizimlarida foydalanish borasida bajargan ilmiy tadqiqot ishlarining natijalariga ko‘ra, yilning iliq mavsumlarida, ya’ni may-sentabr oylari mobaynida aholi turar joy binolarining issiq suvga bo‘lgan ehtiyojini 85÷90 % ni quyosh energiyasidan foydalanish hisobiga qoplash mumkin. Respublikamiz bo‘yicha bunday ko‘rsatgichni amalga oshirish uchun aholi jon boshiga to‘g‘ri keladigan quyoshiy suv isitgich qurilma (kollektor) larning sathi 0,65 m2 gacha yetkazilishi talab qilinadi.
Agar 2018 yilning aprel oyiga kelib Respublikamiz aholisining soni 32,5 million nafarga yetganini hisobga olsak mamlakatimiz bo‘yicha foydalanishimiz lozim bo‘lgan quyoshiy suv isitgich kollektorlarining sathi 21 million kvadrat metrni tashkil qiladi.
Hozirgi paytda quyoshiy issiq suv ta’minoti tizimlari uchun quyoshiy suv isitgichlar, issiq suv bak-akkumlyatorlari, issiqlik almashtirigich va boshqa butlovchi qismlar “Thermo Water Electric" MChJ korxonasi, “MIR - SOLAR” MChJ va qator qo‘shma korxonalarda tashkil qilingan. Quyosh energiyasini elektr energiyasiga aylantirish borasida ham Respulikamizda
sezilarli natijalarga erishilgan. Jumladan, 2014 yilda Koreya Respublikasi mutaxassislari bilan birgalikda Namangan viloyatining Pop tumanida quvvati 130 kVt bo‘lgan dastlabki quyoshiy elektr stansiya qurilib ishga tushirildi. 2016 yilda Buxoro viloyatining Qorako‘l tumanida Qandim gazni qayta ishlash tizimida uzluksiz elektr energiyasi ta’minoti tizimi uchun quvvati 1,2 MVt bo‘lgan quyoshiy fotoelektrik stansiya ishga tushirildi [3] . 2016 yilda O‘z FA Astranomiya institutining Maydanak observatoriyasida quvvati 27 kVt bo‘lgan quyoshiy fotoelektrik stansiya, 2015 yilda Olmalik tog‘-metallurgiya kombinatida 112 kVt quvvatga ega bo‘lgan quyoshiy fotoelektrik stansiya, 2017 yilda “Quyosh energiyasi xalqaro instituti” MChJda quvvati 27 kVt bo‘lgan va elektr tarmog‘iga ulangan quyoshiy fotoelektrik stansiya va 2016 yilda Islom Karimov nomidagi Toshkent davlat texnika universitetining energetika fakultetida quvvati 20 kVt 11 bo‘lgan va ta’lim jarayonida foydalanishga mo‘ljallangan quyoshiy fotoelektrik stansiyalar ishga tushirildi.
O‘zbekiston qayta tiklanuvchi energiya turlarining yuqori texnik salohiyatiga ega, ya’ni bir yilda quyosh energiyasi orqali energiya ishlab chiqarish 525 - 760 milliard kVt, shamol energiyasi 1 mlrd kVt, biomassa bir yilda 6 mlrd m³ biometan tashkil etadi. "O‘zbekistonda quyosh energiyasidan foydalanishni rivojlantirish" yo‘l haritasi quyosh energiyasidan foydalanish, ekologik xavfsiz, ijtimoiy va iqtisodiy barqaror bo‘lgan mexanizmlar, harakatlar, dasturlar va tegishli loyihalarni ishlab chiqish uchun qulay shart-sharoitlar yaratishga oid muammo va to‘siqlarni aniqlash, O‘zbekistonni milliy manfaatlari va 2030 yilgacha bo‘lgan davrda bosqichma-bosqich amalga oshirilishi ko‘zda tutilgan davlat dasturiga muvofiq rivojlantirish maqsadida ishlab chiqilgan. "2017-2019 yillarda O‘zbekiston Respublikasining qayta tiklanadigan energetikasini rivojlantirish" konsepsiyasida umumiy elektr energiya tarmog‘idan uzoq joylarda 212 MVt
(10-25 MVt) umumiy quvvatga ega 30 dan ortiq sanoat quyosh fotoelektrik elektr stansiyalari, shuningdek elektr ta’minoti sifatini yaxshilash maqsadida 254 MVt umumiy quvvatga ega to‘rt shamol parklarini tashkil etish loyihalarini amalga oshirishni o‘rganish ko‘zda tutilgan. Konsepsiyani amalga oshirish natijasida, yaqin kelajakda mamlakat energetika balansida qayta tiklanuvchi energetika ulushi 19-23% gacha yetishi mumkin, va natijada bir yilda 5-6
milliard kub metrdan ortiq tabiiy gazni QTEM hisobidan almashtirishga erishiladi, va quyosh energiyasi iqtisodiyot va energetika sohasida asosiy harakatlantiruvchi kuchga aylanadi.
Optimistik ssenariyga ko‘ra o‘rnatilgan 2030 yilda 3 GVt ga yetadi: 5 TVt·soat ishlab chiqarish quvvati 50 million AQSh dollariga teng bo‘lgan yillik daromad keltiradi, 2700 bevosita ish o‘rinlari tashkil etiladi va 900 million AQSh dollarini investitsiya qilish ehtiyoji shakllanadi. Umumiy investitsiyalar hajmi 7 mlrd. AQSh dollarini tashkil qiladi.
Yuqorida keltirilgan fikrlardan shuni xulosa qilish mumkinki yurtimizda muqobil energiya manbalaridan iqtisodiyotimizning turli sohalarida keng ko‘lamli foydalanish iqtisodiy, ijtimoiy hamda ekologik jihatdan muhim ahamiyat kasb etadi.
O‘zbekiston Respublikasi geografik jihatdan strategik joylashuviga ko‘ra, hamda yillar davomida to‘plangan bilim va ko‘nikmalar asosida quyosh energetikasi sohasida ilm-fan, texnologiya va ishlab chiqarishda O‘rta Osiyo hududida yetakchi markaz bo‘lishi mumkin.
Asosiy qism
Yarimo’tkazgichli kristallarning optik va elektrik xususiyatlari.
Quyosh elementlari (QE) asosan yarimo’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 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’rinlarga elektronlarning kO’chishi, unga qarama-qarshi bo’lgan musbat zaryadlarning harakatini hosil qiladi va bu zaryadlarga kovaklar deyiladi.
Dielektriklar deb, valent sohasi tO’ldirilgan va bu sohadan keyingi, O’tkazuvchanlik sohagacha energetik masofa nisbatan katta bo’lgan moddalarga aytiladi.
Metallar esa boshqacha tuzilishga egadir. Ularda valent sohasi qisman tO’ldirilgan bo’ladi, yoki undan 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, ayniqsa 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 eksponentsial ravishda kO’payishiga va elektr o’tkazuvchanlikning (σ)
σ qAexp(-EgG’2kT) (1)
tenglamaga asosan o’zgarishiga olib keladi. Bu erda k– Boltsman doimiysi, A – moddani xarakterlovchi o’zgarmas kattalik.
Metallarning elektr O’tkazuvchanligi erkin elektronlar kontsentratsiyasi O’zgarmas bo’lganligi tufayli elektronlar harakatchanligining haroratga bog’likligi bilan aniqlanadi va haroratning ortishi bilan asta-sekin kamayadi..
Yuqoridagi tenglamani logarifmlab qo’yidagi ifodani hosil qilamiz.
ln σ q ln A- EG’2kT (2)
Bu tenglamani yarim logarifmik koordinatalarda grafik ravishda kO’rsatish mumkin. Hosil bo’lgan tO’g’ri chiziq va uning φ burchak tangensi YaO’ materiallarning asosiy parametri bo’lgan, man qilingan soha kengligi Eg q tgφ ni aniqlaydi.
Optik yutilishni O’lchashdan aniqlangan Eg ning kattaligi, kO’pincha YaO’ materialdagi erkin zaryad tashuvchilarning kontsentratsiyasiga, 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 kirishmali YaO’ 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 1G’ α masofada e marotaba kamayishi orqali aniqlanadi va u N q N_o exp(-αℓ) dan topiladi. Bu erda N – YaO’ materialda ℓ chuqo’rlikka kirgan fotonlar oqimining zichligi, N_o – material sirtini kesib utuvchi fotonlar oqimining zichligi.