Як працуюць сонечныя батарэі

Сонечныя батарэі паглынаюць сонечнае святло, выконваючы функцыі звычайных батарэек. Але ў адрозненне ад традыцыйных батарэй выхадная напруга і максімальная выхадная магутнасць традыцыйных батарэй фіксаваныя, у той час як выхадная напруга, ток і магутнасць сонечных элементаў звязаны з умовамі асвятлення і працоўнымі кропкамі нагрузкі. З-за гэтага, каб выкарыстоўваць сонечныя батарэі для выпрацоўкі электраэнергіі, вы павінны разумець суадносіны току і напружання і прынцып працы сонечных батарэй.

Спектральнае асвятленне сонечнага святла:

Крыніцай энергіі сонечных батарэй з'яўляецца сонечнае святло, таму інтэнсіўнасць і спектр падаючага сонечнага святла вызначаюць ток і напружанне, якія выдае сонечная батарэя. Мы ведаем, што калі аб'ект змяшчаецца пад сонцам, ён атрымлівае сонечнае святло двума спосабамі: прамым сонечным святлом, а другім - рассеяным сонечным святлом пасля рассейвання іншымі аб'ектамі на паверхні. Пры звычайных абставінах прамое падаючае святло складае каля 80% святла, якое атрымлівае сонечная батарэя. Такім чынам, наша наступнае абмеркаванне таксама будзе сканцэнтравана на прамым уздзеянні сонечнага святла.

Інтэнсіўнасць і спектр сонечнага святла можна выказаць праз спектр апрамянення, які ўяўляе сабой магутнасць святла на адзінку даўжыні хвалі на адзінку плошчы (Вт/㎡um). Інтэнсіўнасць сонечнага святла (Вт/㎡) - гэта сума ўсіх даўжынь хваль спектру асвятлення. Спектр асветленасці сонечнага святла звязаны з вымераным становішчам і вуглом сонца адносна зямной паверхні. Гэта таму, што сонечнае святло будзе паглынацца і рассейвацца атмасферай, перш чым дасягнуць паверхні зямлі. Два фактары становішча і кут звычайна прадстаўлены так званай паветранай масай (AM). Для сонечнага асвятлення AMO адносіцца да сітуацыі ў касмічнай прасторы, калі сонца свеціць прама. Яго інтэнсіўнасць святла складае прыблізна 1353 Вт/㎡, што прыблізна эквівалентна інтэнсіўнасці святла, якое ствараецца выпраменьваннем чорнага цела з тэмпературай 5800 К. AMI адносіцца да сітуацыі на зямной паверхні, калі сонца свеціць прама, інтэнсіўнасць святла складае каля 925 Вт/м2. AMI.5 адносіцца да сітуацыі на зямной паверхні, калі сонца падае пад вуглом 45 градусаў, інтэнсіўнасць святла складае каля 844 Вт/м2. AM 1,5 звычайна выкарыстоўваецца для адлюстравання сярэдняй асветленасці сонечным святлом на паверхні зямлі. Мадэль схемы сонечнай батарэі:

Калі няма святла, сонечная батарэя паводзіць сябе як дыёд pn-пераходу. Адносіны току і напружання ідэальнага дыёда можна выказаць як

Дзе I ўяўляе ток, V уяўляе напружанне, Is - ток насычэння, а VT=KBT/q0, дзе KB уяўляе канстанту Бойцмана, q0 - адзінку электрычнага зарада, а T - тэмпературу. Пры пакаёвай тэмпературы VT=0,026v. Варта адзначыць, што кірунак току дыёда Pn вызначана так, каб цячы ад P-тыпу да n-тыпу ў прыладзе, а станоўчыя і адмоўныя значэнні напружання вызначаюцца як клеммны патэнцыял P-тыпу мінус тэрмінальны патэнцыял n-тыпу. Такім чынам, калі прытрымлівацца гэтага вызначэння, калі сонечная батарэя працуе, яе значэнне напружання з'яўляецца дадатным, значэнне току - адмоўным, а IV крывая знаходзіцца ў чацвёртым квадранце. Варта нагадаць чытачам, што так званы ідэальны дыёд заснаваны на многіх фізічных умовах, і рэальныя дыёды, натуральна, будуць мець некаторыя неідэальныя фактары, якія ўплываюць на суадносіны ток-напружанне прылады, такія як ток генерацыі і рэкамбінацыі, тут Мы будзем' т абмяркоўваць гэта шмат. Калі сонечная батарэя падвяргаецца ўздзеянню святла, у pn-дыёдзе ўзнікае фотаток. Паколькі кірунак убудаванага электрычнага поля pn-пераходу ад n-тыпу да p-тыпу, электронна-дзірачныя пары, якія ўтвараюцца ў выніку паглынання фатонаў, будуць рухацца да канца n-тыпу, а дзіркі - да p-тыпу. -тып канец. Фотаток, утвораны імі, будзе перацякаць з n-тыпу ў p-тып. Як правіла, кірунак прамога току дыёда вызначаецца як пераход ад p-тыпу да n-тыпу. Такім чынам, у параўнанні з ідэальным дыёдам, фотаток, які ствараецца сонечнай батарэяй пры асвятленні, з'яўляецца адмоўным токам. Адносіны току і напружання сонечнай батарэі - гэта ідэальны дыёд плюс адмоўны фотаток IL, велічыня якога роўная:

Іншымі словамі, калі няма святла, IL=0, сонечная батарэя - гэта звычайны дыёд. Калі сонечны элемент замыканы, гэта значыць V=0, ток кароткага замыкання Isc=-IL. Гэта значыць, калі ў сонечнай батарэі адбываецца кароткае замыканне, токам кароткага замыкання з'яўляецца фотаток, які ствараецца падаючым святлом. Калі сонечная батарэя знаходзіцца ў адкрытым ланцугу, гэта значыць, калі I=0, яе напружанне ў адкрытым ланцугу роўна:

Малюнак 2. Эквівалентная схема сонечнай батарэі: (а) без, (б) з паслядоўнымі і шунтуючымі рэзістарамі. Тут неабходна падкрэсліць, што напружанне халасты ланцуг і ток кароткага замыкання з'яўляюцца двума важнымі параметрамі характарыстык сонечнай батарэі.

Выходная магутнасць сонечнай батарэі - гэта твор току і напружання:

Відавочна, што магутнасць сонечнай батарэі не з'яўляецца фіксаванай велічынёй. Ён дасягае максімальнага значэння ў пэўнай працоўнай кропцы ток-напружанне, а максімальная выхадная магутнасць Pmax можа быць вызначана dp/dv=0. Мы можам зрабіць выснову, што выхадное напружанне пры максімальнай выхадной магутнасці Pmax роўна:

і выхадны ток:

Максімальная выхадная магутнасць сонечнай батарэі складае:

Эфектыўнасць сонечнай батарэі адносіцца да суадносін сонечнай батарэі, якая пераўтварае магутнасць Pin падаючага святла ў максімальную выхадную электрычную магутнасць, гэта значыць:

Для агульных вымярэнняў эфектыўнасці сонечных батарэй выкарыстоўваецца крыніца святла, падобная на сонечнае, з pin=1000 Вт/㎡.

Эксперыментальна ўзаемасувязь току і напружання сонечных элементаў не цалкам адпавядае прыведзенаму вышэй тэарэтычнаму апісанню. Гэта адбываецца таму, што сама фотаэлектрычная прылада мае так званае паслядоўнае супраціўленне і супраціўленне шунта. Для любога паўправадніковага матэрыялу або кантакту паміж паўправадніком і металам непазбежна будзе большае ці меншае супраціўленне, якое будзе фарміраваць паслядоўнае супраціўленне фотаэлектрычнай прылады. З іншага боку, любы шлях току, акрамя ідэальнага Pn-дыёда, паміж станоўчым і адмоўным электродамі фотаэлектрычнай прылады будзе выклікаць так званы ток уцечкі, напрыклад, ток генерацыі-рэкамбінацыі ў прыладзе. , ток павярхоўнай рэкамбінацыі, няпоўная ізаляцыя краёў прылады і пранікненне металічнага кантакту.

Звычайна мы выкарыстоўваем супраціўленне шунта для вызначэння току ўцечкі сонечных элементаў, гэта значыць Rsh=V/Ileak. Чым больш супраціў шунта, тым меншы ток уцечкі. Калі ўлічыць супраціўленне сустава Rs і супраціўленне шунта Rsh, залежнасць току ад напружання сонечнай батарэі можна запісаць так:

Мы таксама можам выкарыстоўваць толькі адзін параметр, так званы каэфіцыент запаўнення, каб абагульніць як эфект паслядоўнага супраціву, так і супраціўлення шунта. вызначаецца як:

Відавочна, што каэфіцыент запаўнення максімальны, калі няма паслядоўнага рэзістара і супраціўленне шунта бясконцае (без току ўцечкі). Любое павелічэнне паслядоўнага супраціву або памяншэнне супраціўлення шунта паменшыць каэфіцыент запаўнення. Такім чынам,. Эфектыўнасць сонечных батарэй можна выказаць трыма важнымі параметрамі: напружаннем холастага ланцуга Voc, токам кароткага замыкання Isc і каэфіцыентам запаўнення FF.

Відавочна, што для павышэння эфектыўнасці сонечнай батарэі неабходна адначасова павялічыць яе напружанне халасты ланцуг, ток кароткага замыкання (гэта значыць фотаток) і каэфіцыент запаўнення (гэта значыць паменшыць паслядоўнае супраціўленне і ток уцечкі).

Напружанне халастых ланцугоў і ток кароткага замыкання: Мяркуючы з папярэдняй формулы, напружанне халастых ланцугоў сонечнай батарэі вызначаецца фотатокам і насычанай ячэйкай. З пункту гледжання фізікі паўправаднікоў, напружанне халасты ланцуга роўна рознасці энергіі Фермі паміж электронамі і дзіркамі ў вобласці прасторавага зарада. Што тычыцца току насычэння ідэальнага Pn-дыёда, вы можаце выкарыстоўваць:

каб выказаць. дзе q0 уяўляе адзінкавы зарад, ni ўяўляе ўласную канцэнтрацыю носьбітаў паўправадніка, ND і NA кожны ўяўляюць канцэнтрацыю донара і акцэптара, Dn і Dp кожны ўяўляюць каэфіцыент дыфузіі электронаў і дзірак, прыведзены вышэй выраз мяркуе n - Выпадак, калі і вобласць тыпу, і вобласць p-тыпу шырокія. Як правіла, для сонечных элементаў, якія выкарыстоўваюць падкладкі p-тыпу, плошча n-тыпу вельмі дробная, і прыведзены вышэй выраз трэба змяніць.

Раней мы згадвалі, што калі сонечная батарэя асвятляецца, утвараецца фотаток, а фотаток - гэта ток замкнёнага ланцуга ў суадносінах ток-напружанне сонечнай батарэі. Тут мы коратка апішам паходжанне фотатоку. Хуткасць генерацыі носьбітаў у адзінцы аб'ёму ў адзінку часу (адзінка м -3 с -1 ) вызначаецца каэфіцыентам паглынання святла, г.зн.

Сярод іх α ўяўляе каэфіцыент паглынання святла, які ўяўляе сабой інтэнсіўнасць падаючых фатонаў (або шчыльнасць патоку фатонаў), а R адносіцца да каэфіцыента адлюстравання, таму ён уяўляе інтэнсіўнасць падаючых фатонаў, якія не адлюстроўваюцца. Тры асноўныя механізмы, якія генеруюць фотаток: дыфузійны ток нязначных носьбітаў электронаў у вобласці p-тыпу, дыфузійны ток нязначных носьбітаў у вобласці n-тыпу і дрэйф электронаў і дзірак у вобласці прасторавага зарада. ток. Такім чынам, фотаток можа быць прыблізна выражаны як:

Сярод іх Ln і Lp кожны ўяўляе дыфузійную даўжыню электронаў у вобласці p-тыпу і дзірак у вобласці n-тыпу, а таксама шырыню вобласці прасторавага зарада. Абагульняючы гэтыя вынікі, мы атрымліваем просты выраз для напружання холадна:

дзе Vrcc уяўляе хуткасць рэкамбінацыі электронна-дзірачных пар на адзінку аб'ёму. Вядома, гэта заканамерны вынік, таму што напружанне холадна ланцуга роўна рознасці энергій Фермі паміж электронамі і дзіркамі ў вобласці прасторавага зарада, а розніца энергій Фермі паміж электронамі і дзіркамі вызначаецца хуткасцю генерацыі носьбітаў і хуткасцю рэкамбінацыі .