كيف تعمل الخلايا الشمسية

الخلايا الشمسية تمتص أشعة الشمس لتنتج وظائف البطاريات العادية. ولكن على عكس البطاريات التقليدية، فإن جهد الخرج والحد الأقصى لطاقة الخرج للبطاريات التقليدية ثابتان، في حين يرتبط جهد الخرج والتيار والطاقة للخلايا الشمسية بظروف الإضاءة ونقاط تشغيل التحميل. ولهذا السبب، لاستخدام الخلايا الشمسية لتوليد الكهرباء، يجب عليك فهم العلاقة بين التيار والجهد ومبدأ عمل الخلايا الشمسية.

الإضاءة الطيفية لأشعة الشمس:

مصدر الطاقة للخلايا الشمسية هو ضوء الشمس، وبالتالي فإن شدة وطيف ضوء الشمس الساقط يحدد التيار والجهد الناتج من الخلية الشمسية. ونحن نعلم أنه عندما يوضع جسم تحت الشمس فإنه يستقبل ضوء الشمس بطريقتين، أحدهما ضوء الشمس المباشر، والآخر ضوء الشمس المنتشر بعد تناثره بواسطة أجسام أخرى على السطح. في الظروف العادية، يمثل الضوء الساقط المباشر حوالي 80% من الضوء الذي تستقبله الخلية الشمسية. ولذلك، فإن مناقشتنا التالية سوف تركز أيضًا على التعرض المباشر لأشعة الشمس.

يمكن التعبير عن شدة وطيف ضوء الشمس من خلال إشعاع الطيف، وهو الطاقة الضوئية لكل وحدة طول موجة لكل وحدة مساحة (W/㎡um). شدة ضوء الشمس (W/㎡) هي مجموع جميع الأطوال الموجية لإضاءة الطيف. ويرتبط طيف إضاءة ضوء الشمس بالموضع المقاس وزاوية الشمس بالنسبة لسطح الأرض. وذلك لأن ضوء الشمس سوف يمتصه الغلاف الجوي ويتشتت قبل وصوله إلى سطح الأرض. يتم تمثيل عاملي الموضع والزاوية بشكل عام بما يسمى بالكتلة الهوائية (AM). بالنسبة للإضاءة الشمسية، يشير AMO إلى الوضع في الفضاء الخارجي عندما تكون الشمس مشرقة مباشرة. تبلغ شدة الضوء حوالي 1353 واط/م2، وهو ما يعادل تقريبًا مصدر الضوء الناتج عن إشعاع الجسم الأسود بدرجة حرارة 5800 كلفن. يشير AMI إلى الوضع على سطح الأرض، عندما تكون الشمس مشرقة بشكل مباشر، تبلغ شدة الضوء حوالي 925 واط/م2. ويشير AMI.5 إلى الوضع على سطح الأرض، عندما تسقط الشمس بزاوية 45 درجة، وتكون شدة الضوء حوالي 844 واط/م2. يستخدم AM 1.5 عمومًا لتمثيل متوسط ​​إضاءة ضوء الشمس على سطح الأرض. نموذج دائرة الخلايا الشمسية:

عندما لا يكون هناك ضوء، تتصرف الخلية الشمسية مثل الصمام الثنائي تقاطع pn. يمكن التعبير عن العلاقة بين التيار والجهد للديود المثالي على النحو التالي

حيث يمثل I التيار، V يمثل الجهد، Is هو تيار التشبع، وVT=KBT/q0، حيث يمثل KB ثابت BoItzmann، q0 هو وحدة الشحنة الكهربائية، وT هي درجة الحرارة. في درجة حرارة الغرفة، VT = 0.026 فولت. تجدر الإشارة إلى أن اتجاه تيار الصمام الثنائي Pn محدد للتدفق من النوع P إلى النوع n في الجهاز، ويتم تعريف القيم الموجبة والسالبة للجهد على أنها الجهد الطرفي من النوع P ناقص إمكانات المحطة الطرفية من النوع n. لذلك، إذا تم اتباع هذا التعريف، فعندما تعمل الخلية الشمسية، تكون قيمة جهدها موجبة، وقيمتها الحالية سالبة، ويكون المنحنى IV في الربع الرابع. ولا بد من تذكير القراء هنا بأن ما يسمى بالدايود المثالي يعتمد على العديد من الظروف الفيزيائية، ومن الطبيعي أن يكون للدايودات الفعلية بعض العوامل غير المثالية التي تؤثر على العلاقة بين التيار والجهد للجهاز، مثل تيار التوليد وإعادة التركيب، وهنا سنذكر لا تناقش الأمر كثيرًا. عندما تتعرض الخلية الشمسية للضوء، سيكون هناك تيار ضوئي في الصمام الثنائي pn. نظرًا لأن اتجاه المجال الكهربائي المدمج في الوصلة pn هو من النوع n إلى النوع p، فإن أزواج فتحات الإلكترون الناتجة عن امتصاص الفوتونات سوف تتجه نحو نهاية النوع n، بينما ستمتد الثقوب نحو الطرف p -نوع النهاية. سوف يتدفق التيار الضوئي الذي يشكله الاثنان من النوع n إلى النوع p. بشكل عام، يتم تعريف اتجاه التيار الأمامي للديود على أنه يتدفق من النوع p إلى النوع n. بهذه الطريقة، بالمقارنة مع الصمام الثنائي المثالي، فإن التيار الضوئي الذي تولده الخلية الشمسية عند إضاءته هو تيار سلبي. العلاقة بين التيار والجهد للخلية الشمسية هي الصمام الثنائي المثالي بالإضافة إلى تيار ضوئي سلبي IL، والذي يبلغ حجمه:

بمعنى آخر، عندما لا يكون هناك ضوء، IL=0، تكون الخلية الشمسية مجرد صمام ثنائي عادي. عندما تكون الخلية الشمسية ذات دائرة قصر، أي V=0، فإن تيار الدائرة القصيرة هو Isc=-IL. وهذا يعني أنه عندما تكون الخلية الشمسية ذات دائرة كهربائية قصيرة، فإن تيار الدائرة القصيرة هو التيار الكهروضوئي الناتج عن الضوء الساقط. إذا كانت الخلية الشمسية عبارة عن دائرة مفتوحة، أي إذا كانت I = 0، فإن جهد الدائرة المفتوحة هو:

الشكل 2. الدائرة المكافئة للخلية الشمسية: (أ) بدون، (ب) مع المقاومات التسلسلية والتحويلية. يجب التأكيد هنا على أن جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة هما معلمتان مهمتان لخصائص الخلايا الشمسية.

إن خرج الطاقة للخلية الشمسية هو نتاج التيار والجهد:

من الواضح أن إنتاج الطاقة بواسطة الخلية الشمسية ليس قيمة ثابتة. يصل إلى الحد الأقصى للقيمة عند نقطة تشغيل معينة للجهد الحالي، ويمكن تحديد الحد الأقصى لطاقة الخرج Pmax بواسطة dp/dv=0. يمكننا أن نستنتج أن جهد الخرج عند الحد الأقصى لقدرة الخرج Pmax هو:

والتيار الناتج هو:

الحد الأقصى لطاقة الإخراج للخلية الشمسية هو:

تشير كفاءة الخلية الشمسية إلى نسبة الخلية الشمسية التي تحول دبوس الطاقة للضوء الساقط إلى الحد الأقصى من الطاقة الكهربائية الناتجة، أي:

تستخدم قياسات كفاءة الخلايا الشمسية العامة مصدر ضوء مشابه لضوء الشمس مع دبوس = 1000 واط/م2.

من الناحية التجريبية، فإن العلاقة بين التيار والجهد للخلايا الشمسية لا تتبع تمامًا الوصف النظري أعلاه. وذلك لأن الجهاز الكهروضوئي نفسه لديه ما يسمى بالمقاومة المتسلسلة ومقاومة التحويل. بالنسبة لأي مادة شبه موصلة، أو الاتصال بين مادة شبه موصلة ومعدن، سيكون هناك حتمًا مقاومة أكبر أو أقل، والتي ستشكل المقاومة التسلسلية للجهاز الكهروضوئي. ومن ناحية أخرى فإن أي مسار تيار غير الصمام الثنائي Pn المثالي بين الأقطاب الموجبة والسالبة للجهاز الكهروضوئي سوف يسبب ما يسمى بتيار التسرب، مثل تيار التوليد وإعادة التركيب في الجهاز. ، تيار إعادة التركيب السطحي، عزل حافة الجهاز بشكل غير كامل، ووصلة اختراق التلامس المعدني.

عادة، نستخدم مقاومة التحويل لتحديد تيار التسرب للخلايا الشمسية، أي Rsh=V/Ileak. كلما كانت مقاومة التحويلة أكبر، كلما كان تيار التسرب أصغر. إذا أخذنا بعين الاعتبار المقاومة المشتركة Rs ومقاومة التحويل Rsh، فيمكن كتابة العلاقة بين التيار والجهد للخلية الشمسية على النحو التالي:

يمكننا أيضًا استخدام معلمة واحدة فقط، ما يسمى بعامل التعبئة، لتلخيص تأثيرات المقاومة المتسلسلة ومقاومة التحويل. معرف ك:

من الواضح أن عامل التعبئة يكون الحد الأقصى إذا لم يكن هناك مقاوم متسلسل وكانت مقاومة التحويل لا نهائية (لا يوجد تيار تسرب). أي زيادة في مقاومة السلسلة أو نقصان في مقاومة التحويل سوف يقلل من عامل التعبئة. في هذا الطريق،. يمكن التعبير عن كفاءة الخلايا الشمسية من خلال ثلاث معلمات مهمة: جهد الدائرة المفتوحة Voc، وتيار الدائرة القصيرة Isc، وعامل التعبئة FF.

من الواضح أنه لتحسين كفاءة الخلية الشمسية، من الضروري زيادة جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة (أي التيار الكهروضوئي) وعامل التعبئة (أي تقليل مقاومة السلسلة وتيار التسرب) في نفس الوقت.

جهد الدائرة المفتوحة وتيار الدائرة القصيرة: انطلاقًا من الصيغة السابقة، يتم تحديد جهد الدائرة المفتوحة للخلية الشمسية بواسطة التيار الكهروضوئي والخلية المشبعة. من منظور فيزياء أشباه الموصلات، فإن جهد الدائرة المفتوحة يساوي فرق طاقة فيرمي بين الإلكترونات والثقوب في منطقة الشحنة الفضائية. أما بالنسبة لتيار التشبع للديود Pn المثالي، فيمكنك استخدام:

للتعبير. حيث يمثل q0 شحنة الوحدة، ويمثل ni تركيز الناقل الجوهري لأشباه الموصلات، ويمثل كل من ND وNA تركيز المتبرع والمستقبل، ويمثل كل من Dn وDp معامل انتشار الإلكترونات والثقوب، ويفترض التعبير أعلاه n - الحالة التي تكون فيها منطقة النوع ومنطقة النوع p عريضة. بشكل عام، بالنسبة للخلايا الشمسية التي تستخدم ركائز من النوع p، تكون منطقة النوع n ضحلة جدًا، ويحتاج التعبير أعلاه إلى تعديل.

ذكرنا سابقًا أنه عندما يتم إضاءة خلية شمسية، يتم توليد تيار ضوئي، والتيار الضوئي هو تيار الدائرة المغلقة في العلاقة بين التيار والجهد للخلية الشمسية. هنا سوف نصف بإيجاز أصل التيار الضوئي. يتم تحديد معدل توليد الموجات الحاملة في وحدة الحجم لكل وحدة زمنية (وحدة م -3 ث -1 ) بواسطة معامل امتصاص الضوء، أي

من بينها، α يمثل معامل امتصاص الضوء، وهو شدة الفوتونات الساقطة (أو كثافة تدفق الفوتون)، ويشير R إلى معامل الانعكاس، لذلك فهو يمثل شدة الفوتونات الساقطة التي لا تنعكس. الآليات الثلاث الرئيسية التي تولد التيار الكهروضوئي هي: تيار الانتشار للإلكترونات الحاملة للأقليات في منطقة النوع p، وتيار الانتشار لثقوب حامل الأقلية في منطقة النوع n، وانجراف الإلكترونات والثقوب في منطقة الشحنة الفضائية. حاضِر. ولذلك، يمكن التعبير عن التيار الضوئي تقريبًا على النحو التالي:

من بينها، يمثل كل من Ln وLp طول انتشار الإلكترونات في منطقة النوع p والثقوب الموجودة في منطقة النوع n، وهو عرض منطقة الشحنة الفضائية. بتلخيص هذه النتائج نحصل على تعبير بسيط لجهد الدائرة المفتوحة:

حيث يمثل Vrcc معدل إعادة التركيب لأزواج ثقب الإلكترون لكل وحدة حجم. بالطبع هذه نتيجة طبيعية، لأن جهد الدائرة المفتوحة يساوي فرق طاقة فيرمي بين الإلكترونات والثقوب في منطقة الشحنة الفضائية، ويتم تحديد فرق طاقة فيرمي بين الإلكترونات والثقوب من خلال معدل توليد الناقل ومعدل إعادة التركيب .