Günəş hüceyrələri necə işləyir

Günəş hüceyrələri adi batareyaların funksiyalarını yaratmaq üçün günəş işığını udur. Ancaq ənənəvi batareyalardan fərqli olaraq, ənənəvi batareyaların çıxış gərginliyi və maksimum çıxış gücü sabitdir, günəş batareyalarının çıxış gərginliyi, cərəyanı və gücü işıqlandırma şəraiti və yük işləmə nöqtələri ilə bağlıdır. Buna görə elektrik enerjisi istehsal etmək üçün günəş batareyalarından istifadə etmək üçün günəş batareyalarının cərəyan-gərginlik əlaqəsini və iş prinsipini başa düşməlisiniz.

Günəş işığının spektral işıqlandırılması:

Günəş hüceyrələrinin enerji mənbəyi günəş işığıdır, buna görə də düşən günəş işığının intensivliyi və spektri günəş hüceyrəsi tərəfindən cərəyan və gərginlik çıxışını müəyyən edir. Biz bilirik ki, bir cisim günəşin altına qoyulduqda iki yolla günəş işığı alır, biri birbaşa günəş işığı, digəri isə səthə digər cisimlər tərəfindən səpələndikdən sonra yayılan günəş işığıdır. Normal şəraitdə birbaşa düşən işıq günəş batareyası tərəfindən qəbul edilən işığın təxminən 80%-ni təşkil edir. Buna görə də, növbəti müzakirəmiz də birbaşa günəş işığına məruz qalmağa yönəldiləcəkdir.

Günəş işığının intensivliyi və spektri spektrin şüalanması ilə ifadə edilə bilər, bu, vahid sahəyə düşən dalğa uzunluğuna düşən işıq gücüdür (W/㎡um). Günəş işığının intensivliyi (W/㎡) spektrin işıqlandırılmasının bütün dalğa uzunluqlarının cəmidir. Günəş işığının spektrinin işıqlandırılması ölçülmüş mövqe və yer səthinə nisbətən günəşin bucağı ilə əlaqədardır. Bunun səbəbi günəş işığının yer səthinə çatmazdan əvvəl atmosfer tərəfindən udularaq səpilməsidir. Mövqe və bucağın iki amili ümumiyyətlə hava kütləsi (AM) ilə təmsil olunur. Günəş işığı üçün AMO, günəşin birbaşa parladığı zaman kosmosdakı vəziyyətə aiddir. Onun işıq intensivliyi təxminən 1353 W/㎡ təşkil edir ki, bu da 5800K temperaturda qara cisim şüalanmasının yaratdığı işıq mənbəyinə təxminən bərabərdir. AMI yer səthindəki vəziyyətə aiddir, günəş birbaşa parlayanda işıq intensivliyi təxminən 925 Vt/m2 təşkil edir. AMI.5 yer səthindəki vəziyyətə aiddir, günəş 45 dərəcə bucaq altında düşdüyü zaman işığın intensivliyi təxminən 844 Vt/m2 təşkil edir. AM 1.5 ümumiyyətlə yer səthində günəş işığının orta işıqlandırmasını təmsil etmək üçün istifadə olunur. Günəş batareyası dövrə modeli:

İşıq olmadıqda, günəş hüceyrəsi pn keçid diodu kimi davranır. İdeal bir diodun cərəyan-gərginlik əlaqəsi kimi ifadə edilə bilər

I cərəyanı, V gərginliyi, Is doyma cərəyanını və VT=KBT/q0, burada KB BoItzmann sabitini, q0 vahid elektrik yükünü, T isə temperaturu ifadə edir. Otaq temperaturunda VT=0,026v. Qeyd etmək lazımdır ki, Pn diod cərəyanının istiqaməti cihazda P-tipindən n-tipinə axmaq üçün müəyyən edilir və gərginliyin müsbət və mənfi dəyərləri P tipli terminal potensialı kimi müəyyən edilir. mənfi n tipli terminal potensialı. Buna görə də, bu tərifə əməl edilərsə, günəş elementi işləyərkən onun gərginlik dəyəri müsbət, cari dəyəri mənfi, IV əyri isə dördüncü kvadrantdadır. Burada oxuculara xatırlatmaq lazımdır ki, ideal diod adlanan bir çox fiziki şəraitə əsaslanır və faktiki diodlar təbii olaraq cihazın cərəyan-gərginlik əlaqəsinə təsir edən bəzi qeyri-ideal amillərə malik olacaq, məsələn, nəsil-rekombinasiya cərəyanı, burada qazanacağıq. çox müzakirə et. Günəş hüceyrəsi işığa məruz qaldıqda, pn diodunda foto cərəyan olacaq. Pn qovşağının daxili elektrik sahəsinin istiqaməti n-tipindən p-tipinə qədər olduğundan, fotonların udulması nəticəsində yaranan elektron-deşik cütləri n-tipi ucuna doğru, dəliklər isə p-yə doğru hərəkət edəcək. -tip sonu. Bu ikisinin yaratdığı foto cərəyan n-tipindən p-tipinə keçəcək. Ümumiyyətlə, bir diodun irəli cərəyan istiqaməti p-tipindən n-tipinə axın kimi müəyyən edilir. Bu şəkildə, ideal bir diodla müqayisədə, günəş batareyasının işıqlandırıldığı zaman yaratdığı foto cərəyan mənfi cərəyandır. Günəş elementinin cərəyan-gərginlik əlaqəsi ideal diod üstəgəl mənfi fotocərəyan IL-dir, onun böyüklüyü:

Başqa sözlə, işıq olmadıqda, IL=0, günəş elementi sadəcə adi bir dioddur. Günəş elementi qısaqapandıqda, yəni V=0, qısaqapanma cərəyanı Isc=-IL olur. Yəni günəş elementi qısaqapandıqda, qısaqapanma cərəyanı gələn işığın yaratdığı foto cərəyandır. Günəş elementi açıq dövrədirsə, yəni I=0 olarsa, onun açıq dövrə gərginliyi:

Şəkil 2. Günəş elementinin ekvivalent sxemi: (a) olmadan, (b) sıra və şunt rezistorlarla. Burada vurğulanmalıdır ki, açıq dövrə gərginliyi və qısaqapanma cərəyanı günəş elementinin xüsusiyyətlərinin iki mühüm parametridir.

Günəş batareyasının çıxışı cərəyan və gərginliyin məhsuludur:

Aydındır ki, günəş batareyasının gücü sabit bir dəyər deyil. Müəyyən bir cərəyan gərginliyi iş nöqtəsində maksimum dəyərə çatır və maksimum çıxış gücü Pmax dp/dv=0 ilə müəyyən edilə bilər. Belə nəticəyə gələ bilərik ki, maksimum çıxış gücü Pmax-da çıxış gərginliyi:

və çıxış cərəyanı belədir:

Günəş batareyasının maksimum çıxış gücü:

Günəş batareyasının səmərəliliyi günəş batareyasının düşən işığın gücünü maksimum çıxış elektrik gücünə çevirən nisbətinə aiddir, yəni:

Ümumi günəş batareyasının səmərəliliyinin ölçülməsi pin=1000W/㎡ olan günəş işığına bənzər işıq mənbəyindən istifadə edir.

Eksperimental olaraq, günəş elementlərinin cərəyan-gərginlik əlaqəsi yuxarıdakı nəzəri təsvirə tam uyğun gəlmir. Bunun səbəbi, fotovoltaik cihazın özü sözdə sıra müqavimətinə və şunt müqavimətinə malikdir. Hər hansı bir yarımkeçirici material və ya yarımkeçirici ilə metal arasındakı təmasda fotovoltaik cihazın ardıcıl müqavimətini meydana gətirəcək daha çox və ya daha az müqavimət qaçılmaz olacaqdır. Digər tərəfdən, fotovoltaik cihazın müsbət və mənfi elektrodları arasında ideal Pn diodundan başqa hər hansı bir cərəyan yolu cihazda nəsil-rekombinasiya cərəyanı kimi sözdə sızma cərəyanına səbəb olacaqdır. , səthin rekombinasiya cərəyanı, cihazın natamam kənar izolyasiyası və metal kontaktın nüfuz qovşağı.

Adətən, günəş elementlərinin sızma cərəyanını təyin etmək üçün şunt müqavimətindən istifadə edirik, yəni Rsh=V/Ileak. Şunt müqaviməti nə qədər böyükdürsə, sızma cərəyanı da bir o qədər kiçikdir. Birgə müqavimət Rs və şunt müqavimətini Rsh nəzərə alsaq, günəş elementinin cərəyan-gərginlik əlaqəsi aşağıdakı kimi yazıla bilər:

Həm sıra müqavimətinin, həm də şunt müqavimətinin təsirlərini ümumiləşdirmək üçün yalnız bir parametrdən, sözdə doldurma faktorundan istifadə edə bilərik. kimi müəyyən edilir:

Aydındır ki, seriyalı rezistor yoxdursa və şunt müqaviməti sonsuzdursa (sızma cərəyanı yoxdursa) doldurma əmsalı maksimumdur. Seriya müqavimətində hər hansı bir artım və ya şunt müqavimətində azalma doldurma faktorunu azaldır. Bu cür,. Günəş batareyalarının səmərəliliyi üç mühüm parametrlə ifadə edilə bilər: açıq dövrə gərginliyi Voc, qısaqapanma cərəyanı Isc və doldurma faktoru FF.

Aydındır ki, günəş batareyasının səmərəliliyini artırmaq üçün onun açıq dövrə gərginliyini, qısaqapanma cərəyanını (yəni foto cərəyanını) və doldurma faktorunu (yəni seriya müqavimətini və sızma cərəyanını azaltmaq) eyni vaxtda artırmaq lazımdır.

Açıq dövrə gərginliyi və qısaqapanma cərəyanı: Əvvəlki düstura əsasən, günəş elementinin açıq dövrə gərginliyi foto cərəyan və doymuş hüceyrə ilə müəyyən edilir. Yarımkeçiricilər fizikası nöqteyi-nəzərindən açıq dövrə gərginliyi kosmik yük bölgəsindəki elektronlar və dəliklər arasındakı Fermi enerji fərqinə bərabərdir. İdeal bir Pn diodunun doyma cərəyanına gəldikdə, istifadə edə bilərsiniz:

ifadə etmək. burada q0 vahid yükü təmsil edir, ni yarımkeçiricinin daxili daşıyıcı konsentrasiyasını, ND və NA hər biri donorun və qəbuledicinin konsentrasiyasını, Dn və Dp hər biri elektronların və dəliklərin diffuziya əmsalını təmsil edir, yuxarıdakı ifadə n qəbul edir. - Həm tip bölgəsinin, həm də p tipli bölgənin həm geniş olduğu hal. Ümumiyyətlə, p-tipli substratlardan istifadə edən günəş elementləri üçün n-tipli sahə çox dayazdır və yuxarıdakı ifadənin dəyişdirilməsi lazımdır.

Daha əvvəl qeyd etdik ki, günəş elementi işıqlandırıldıqda foto cərəyan yaranır və foto cərəyan günəş elementinin cərəyan-gərginlik əlaqəsində qapalı dövrə cərəyanıdır. Burada biz qısaca olaraq foto cərəyanın mənşəyini təsvir edəcəyik. Vahid həcmdə daşıyıcıların yaranma sürəti (vahid m -3 s -1 ) işığın udma əmsalı ilə müəyyən edilir, yəni.

Onların arasında α işığın udulma əmsalını ifadə edir, bu, gələn fotonların intensivliyi (və ya foton axınının sıxlığı), R isə əks olunma əmsalına aiddir, buna görə də əks olunmayan fotonların intensivliyini ifadə edir. Fotocərəyanı yaradan üç əsas mexanizm bunlardır: p tipli bölgədə azlıq daşıyıcı elektronların diffuziya cərəyanı, n tipli bölgədə azlıq daşıyıcı dəliklərinin diffuziya cərəyanı və kosmik yük bölgəsində elektronların və dəliklərin sürüşməsi. cari. Beləliklə, foto cərəyan təxminən aşağıdakı kimi ifadə edilə bilər:

Onların arasında Ln və Lp hər biri p tipli bölgədəki elektronların diffuziya uzunluğunu və n tipli bölgədəki dəlikləri təmsil edir və kosmik yük bölgəsinin enidir. Bu nəticələri ümumiləşdirərək, açıq dövrə gərginliyi üçün sadə bir ifadə alırıq:

burada Vrcc vahid həcmdə elektron-deşik cütlərinin rekombinasiya sürətini təmsil edir. Təbii ki, bu təbii nəticədir, çünki açıq dövrə gərginliyi kosmik yük bölgəsindəki elektronlar və dəliklər arasındakı Fermi enerji fərqinə bərabərdir və elektronlar və dəliklər arasında Fermi enerji fərqi daşıyıcının yaranma sürəti və rekombinasiya sürəti ilə müəyyən edilir. .