Как работят слънчевите клетки

Слънчеви клетки абсорбират слънчевата светлина, за да изпълняват функциите на обикновените батерии. Но за разлика от традиционните батерии, изходното напрежение и максималната изходна мощност на традиционните батерии са фиксирани, докато изходното напрежение, ток и мощност на слънчевите клетки са свързани с условията на осветление и работните точки на натоварване. Поради това, за да използвате слънчеви клетки за генериране на електричество, трябва да разберете връзката ток-напрежение и принципа на работа на слънчевите клетки.

Спектрално осветяване на слънчевата светлина:

Източникът на енергия на слънчевите клетки е слънчевата светлина, така че интензитетът и спектърът на падащата слънчева светлина определят изходния ток и напрежение от слънчевата клетка. Знаем, че когато даден обект е поставен под слънцето, той получава слънчева светлина по два начина, единият е пряка слънчева светлина, а другият е дифузна слънчева светлина, след като е разпръсната от други обекти на повърхността. При нормални обстоятелства директната падаща светлина представлява около 80% от светлината, получена от слънчевата клетка. Ето защо нашата следваща дискусия също ще се съсредоточи върху прякото излагане на слънчева светлина.

Интензитетът и спектърът на слънчевата светлина могат да бъдат изразени чрез излъчване на спектъра, което е мощността на светлината на единица дължина на вълната на единица площ (W/㎡um). Интензитетът на слънчевата светлина (W/㎡) е сумата от всички дължини на вълните на светлинния спектър. Спектърът на осветяване на слънчевата светлина е свързан с измерената позиция и ъгъла на слънцето спрямо земната повърхност. Това е така, защото слънчевата светлина ще бъде погълната и разпръсната от атмосферата, преди да достигне земната повърхност. Двата фактора позиция и ъгъл обикновено са представени от така наречената въздушна маса (AM). За слънчево осветление AMO се отнася до ситуацията в космоса, когато слънцето грее директно. Неговата интензивност на светлината е приблизително 1353 W/㎡, което е приблизително еквивалентно на източника на светлина, произведен от лъчение на черно тяло с температура 5800K. AMI се отнася до ситуацията на земната повърхност, когато слънцето грее директно, интензитетът на светлината е около 925 W/m2. AMI.5 се отнася за ситуацията на земната повърхност, когато слънцето пада под ъгъл от 45 градуса, интензитетът на светлината е около 844 W/m2. AM 1.5 обикновено се използва за представяне на средното осветяване на слънчевата светлина на земната повърхност. Модел на веригата на слънчевата клетка:

Когато няма светлина, слънчевата клетка се държи като диод с pn преход. Съотношението ток-напрежение на идеален диод може да се изрази като

Където I представлява тока, V представлява напрежението, Is е токът на насищане и VT=KBT/q0, където KB представлява константата на BoItzmann, q0 е единицата електрически заряд и T е температурата. При стайна температура VT=0.026v. Трябва да се отбележи, че посоката на тока на Pn диода е определена да тече от P-тип към n-тип в устройството, а положителните и отрицателните стойности на напрежението се определят като P-тип терминален потенциал минус n-тип терминален потенциал. Следователно, ако се следва това определение, когато слънчевата клетка работи, нейната стойност на напрежението е положителна, стойността на тока е отрицателна и IV кривата е в четвъртия квадрант. На читателите трябва да се напомни тук, че така нареченият идеален диод се основава на много физически условия и действителните диоди естествено ще имат някои неидеални фактори, които влияят на съотношението ток-напрежение на устройството, като ток на генериране-рекомбинация, тук Ние ще не го обсъждайте много. Когато слънчевата клетка е изложена на светлина, ще има фототок в pn диода. Тъй като посоката на вграденото електрическо поле на pn прехода е от n-тип към p-тип, двойките електрон-дупка, генерирани от абсорбцията на фотони, ще се движат към края на n-типа, докато дупките ще се движат към p-типа -тип край. Фототокът, образуван от двете, ще тече от n-тип към p-тип. Като цяло, посоката на тока напред на диод се определя като протичаща от p-тип към n-тип. По този начин, в сравнение с идеалния диод, фототокът, генериран от слънчева клетка при осветяване, е отрицателен ток. Съотношението ток-напрежение на слънчевата клетка е идеалният диод плюс отрицателен фототок IL, чиято величина е:

С други думи, когато няма светлина, IL=0, соларната клетка е просто обикновен диод. Когато слънчевата клетка е в късо съединение, тоест V=0, токът на късо съединение е Isc=-IL. Тоест, когато слънчевата клетка е в късо съединение, токът на късо съединение е фототокът, генериран от падаща светлина. Ако слънчевата клетка е с отворена верига, т.е. ако I=0, нейното напрежение на отворена верига е:

Фигура 2. Еквивалентна схема на слънчева клетка: (a) без, (b) с последователни и шунтови резистори. Тук трябва да се подчертае, че напрежението на отворена верига и токът на късо съединение са два важни параметъра на характеристиките на слънчевата клетка.

Изходната мощност на слънчева клетка е произведение на ток и напрежение:

Очевидно изходната мощност от слънчевата клетка не е фиксирана стойност. Тя достига максималната стойност при определена работна точка ток-напрежение, а максималната изходна мощност Pmax може да се определи чрез dp/dv=0. Можем да заключим, че изходното напрежение при максимална изходна мощност Pmax е:

а изходният ток е:

Максималната изходна мощност на слънчевата клетка е:

Ефективността на слънчевата клетка се отнася до съотношението на слънчевата клетка, преобразуваща мощността Pin на падащата светлина в максимална изходна електрическа мощност, което е:

Общите измервания на ефективността на слънчевите клетки използват източник на светлина, подобен на слънчевата светлина с pin=1000W/㎡.

Експериментално връзката ток-напрежение на слънчевите клетки не следва напълно горното теоретично описание. Това е така, защото самото фотоволтаично устройство има така нареченото последователно съпротивление и шунтово съпротивление. За всеки полупроводников материал или контакта между полупроводник и метал неизбежно ще има по-голямо или по-малко съпротивление, което ще формира серийното съпротивление на фотоволтаичното устройство. От друга страна, всеки път на ток, различен от идеалния Pn диод между положителните и отрицателните електроди на фотоволтаичното устройство, ще причини така наречения ток на утечка, като тока на генериране-рекомбинация в устройството. , ток на повърхностна рекомбинация, непълна изолация на ръба на устройството и кръстовище на проникване на метален контакт.

Обикновено използваме шунтово съпротивление, за да определим тока на утечка на слънчевите клетки, тоест Rsh=V/Ileak. Колкото по-голямо е съпротивлението на шунт, толкова по-малък е токът на утечка. Ако вземем предвид съвместното съпротивление Rs и шунтовото съпротивление Rsh, връзката ток-напрежение на слънчевата клетка може да бъде записана като:

Можем също така да използваме само един параметър, така нареченият фактор на запълване, за да обобщим ефектите на серийното съпротивление и съпротивлението на шунт. дефиниран като:

Очевидно е, че коефициентът на запълване е максимален, ако няма сериен резистор и съпротивлението на шунт е безкрайно (без ток на утечка). Всяко увеличение на серийното съпротивление или намаляване на съпротивлението на шунт ще намали коефициента на запълване. По този начин,. Ефективността на слънчевите клетки може да се изрази чрез три важни параметъра: напрежение на отворена верига Voc, ток на късо съединение Isc и коефициент на запълване FF.

Очевидно е, че за да се подобри ефективността на слънчевата клетка, е необходимо едновременно да се увеличи нейното напрежение на отворена верига, ток на късо съединение (т.е. фототок) и коефициент на запълване (т.е. да се намали серийното съпротивление и токът на утечка).

Напрежение на отворена верига и ток на късо съединение: Съдейки по предишната формула, напрежението на отворена верига на слънчевата клетка се определя от фототока и наситената клетка. От гледна точка на физиката на полупроводниците напрежението на отворена верига е равно на разликата в енергията на Ферми между електрони и дупки в областта на пространствения заряд. Що се отнася до тока на насищане на идеален Pn диод, можете да използвате:

да изразя. където q0 представлява единичният заряд, ni представлява концентрацията на присъщия носител на полупроводника, ND и NA всеки представлява концентрацията на донора и акцептора, Dn и Dp всеки представлява коефициента на дифузия на електрони и дупки, горният израз приема n - Случаят, при който и регионът на типа, и регионът на p-типа са широки. Като цяло, за слънчеви клетки, използващи p-тип субстрати, областта от n-тип е много плитка и горният израз трябва да бъде модифициран.

По-рано споменахме, че когато слънчева клетка е осветена, се генерира фототок, а фототокът е токът на затворена верига в съотношението ток-напрежение на слънчевата клетка. Тук ще опишем накратко произхода на фототока. Скоростта на генериране на носители в единица обем за единица време (единица m -3 s -1 ) се определя от коефициента на поглъщане на светлината, т.е.

Сред тях α представлява коефициентът на поглъщане на светлината, който е интензитетът на падащите фотони (или плътността на фотонния поток), а R се отнася до коефициента на отражение, така че представлява интензитетът на падащите фотони, които не са отразени. Трите основни механизма, които генерират фототок, са: дифузионният ток на малцинствени носители на електрони в p-тип региона, дифузионен ток на малцинствени носители на дупки в n-тип регион и дрейф на електрони и дупки в областта на пространствения заряд. текущ. Следователно фототокът може приблизително да се изрази като:

Сред тях Ln и Lp всеки представлява дължината на дифузия на електроните в областта от p-тип и дупките в областта от n-тип и е ширината на областта на пространствения заряд. Обобщавайки тези резултати, получаваме прост израз за напрежението на отворена верига:

където Vrcc представлява скоростта на рекомбинация на двойки електрон-дупка за единица обем. Разбира се, това е естествен резултат, тъй като напрежението на отворената верига е равно на разликата в енергията на Ферми между електрони и дупки в областта на пространствения заряд, а разликата в енергията на Ферми между електрони и дупки се определя от скоростта на генериране на носител и скоростта на рекомбинация .