Kako rade solarne ćelije

Solarne ćelije apsorbiraju sunčevu svjetlost kako bi proizveli funkcije običnih baterija. Ali za razliku od tradicionalnih baterija, izlazni napon i maksimalna izlazna snaga tradicionalnih baterija su fiksni, dok su izlazni napon, struja i snaga solarnih ćelija povezani sa uslovima osvetljenja i radnim tačkama opterećenja. Zbog toga, da biste koristili solarne ćelije za proizvodnju električne energije, morate razumjeti odnos struje i napona i princip rada solarnih ćelija.

Spektralno osvetljenje sunčeve svetlosti:

Izvor energije solarnih ćelija je sunčeva svjetlost, tako da intenzitet i spektar upadne sunčeve svjetlosti određuju struju i napon koji solarna ćelija izlazi. Znamo da kada se objekt stavi pod sunce, on prima sunčevu svjetlost na dva načina, jedan je direktna sunčeva svjetlost, a drugi je difuzna sunčeva svjetlost nakon što je raspršena drugim objektima na površini. U normalnim okolnostima, direktna upadna svjetlost čini oko 80% svjetlosti koju prima solarna ćelija. Stoga će se naša sljedeća rasprava također fokusirati na direktno izlaganje sunčevoj svjetlosti.

Intenzitet i spektar sunčeve svjetlosti mogu se izraziti zračenjem spektra, što je svjetlosna snaga po jedinici talasne dužine po jedinici površine (W/㎡um). Intenzitet sunčeve svjetlosti (W/㎡) je zbir svih valnih dužina spektra osvjetljenja. Spektar osvjetljenja sunčeve svjetlosti povezan je s izmjerenom pozicijom i uglom sunca u odnosu na površinu zemlje. To je zato što će sunčeva svjetlost biti apsorbirana i raspršena u atmosferi prije nego što stigne do površine zemlje. Dva faktora položaja i ugla su generalno predstavljena takozvanom vazdušnom masom (AM). Za solarno osvjetljenje, AMO se odnosi na situaciju u svemiru kada sunce direktno sija. Njegov intenzitet svjetlosti je približno 1353 W/㎡, što je približno ekvivalentno izvoru svjetlosti koji proizvodi zračenje crnog tijela s temperaturom od 5800K. AMI se odnosi na stanje na površini zemlje, kada sunce sija direktno, intenzitet svjetlosti je oko 925 W/m2. AMI.5 se odnosi na situaciju na površini zemlje, kada sunce pada pod uglom od 45 stepeni, intenzitet svetlosti je oko 844 W/m2. AM 1,5 se generalno koristi za predstavljanje prosečne osvetljenosti sunčeve svetlosti na površini zemlje. Model kruga solarnih ćelija:

Kada nema svjetlosti, solarna ćelija se ponaša kao dioda sa pn spojem. Odnos struje i napona idealne diode može se izraziti kao

Gdje I predstavlja struju, V predstavlja napon, Is je struju zasićenja, a VT=KBT/q0, gdje KB predstavlja BoItzmannu konstantu, q0 je jedinični električni naboj, a T je temperatura. Na sobnoj temperaturi, VT=0,026v. Treba napomenuti da je smjer struje Pn diode definiran da teče od P-tipa do n-tipa u uređaju, a pozitivne i negativne vrijednosti napona su definirane kao terminalni potencijal P-tipa minus terminalni potencijal n-tipa. Stoga, ako se slijedi ova definicija, kada solarna ćelija radi, njena vrijednost napona je pozitivna, njena trenutna vrijednost je negativna, a IV kriva je u četvrtom kvadrantu. Čitaoce se ovdje mora podsjetiti da je takozvana idealna dioda zasnovana na mnogim fizičkim uvjetima, a stvarne diode će prirodno imati neke neidealne faktore koji utiču na odnos struje i napona uređaja, kao što je struja generacije-rekombinacije, ovdje ćemo' ne raspravljam mnogo o tome. Kada je solarna ćelija izložena svjetlu, u pn diodi će biti fotostruja. Budući da je ugrađeni smjer električnog polja pn spoja od n-tipa do p-tipa, parovi elektron-rupa nastali apsorpcijom fotona će se kretati prema kraju n-tipa, dok će se rupe kretati prema p-tipu. -tip kraj. Fotostruja koju formiraju ova dva će teći od n-tipa do p-tipa. Općenito, smjer struje naprijed diode definira se kao da teče od p-tipa do n-tipa. Na taj način, u poređenju sa idealnom diodom, fotostruja koju generiše solarna ćelija kada je osvijetljena je negativna struja. Odnos struje i napona solarne ćelije je idealna dioda plus negativna fotostruja IL, čija je veličina:

Drugim riječima, kada nema svjetlosti, IL=0, solarna ćelija je samo obična dioda. Kada je solarna ćelija kratko spojena, odnosno V=0, struja kratkog spoja je Isc=-IL. Odnosno, kada je solarna ćelija kratko spojena, struja kratkog spoja je fotostruja koju stvara upadna svjetlost. Ako je solarna ćelija otvorenog kruga, odnosno, ako je I=0, njen napon otvorenog kruga je:

Slika 2. Ekvivalentno kolo solarne ćelije: (a) bez, (b) sa serijskim i šant otpornicima. Ovdje se mora naglasiti da su napon otvorenog kola i struja kratkog spoja dva važna parametra karakteristika solarnih ćelija.

Izlazna snaga solarne ćelije je proizvod struje i napona:

Očigledno, izlazna snaga solarne ćelije nije fiksna vrijednost. Dostiže maksimalnu vrijednost u određenoj radnoj tački strujnog napona, a maksimalna izlazna snaga Pmax se može odrediti sa dp/dv=0. Možemo zaključiti da je izlazni napon pri maksimalnoj izlaznoj snazi ​​Pmax:

a izlazna struja je:

Maksimalna izlazna snaga solarne ćelije je:

Efikasnost solarne ćelije se odnosi na omjer solarne ćelije koja pretvara snagu Pin upadne svjetlosti u maksimalnu izlaznu električnu snagu, odnosno:

Opšta mjerenja efikasnosti solarnih ćelija koriste izvor svjetlosti sličan sunčevoj svjetlosti sa pin=1000W/㎡.

Eksperimentalno, odnos struje i napona solarnih ćelija ne prati u potpunosti gornji teorijski opis. To je zato što sam fotonaponski uređaj ima takozvani serijski otpor i otpor šanta. Za bilo koji poluvodički materijal, ili kontakt između poluvodiča i metala, neizbježno će postojati veći ili manji otpor, koji će formirati serijski otpor fotonaponskog uređaja. S druge strane, bilo koji strujni put osim idealne Pn diode između pozitivne i negativne elektrode fotonaponskog uređaja prouzročit će takozvanu struju curenja, kao što je struja generacije-rekombinacije u uređaju. , struja površinske rekombinacije, nepotpuna rubna izolacija uređaja i spoj penetracije metalnog kontakta.

Obično koristimo otpor šanta za definiranje struje curenja solarnih ćelija, odnosno Rsh=V/Ileak. Što je veći otpor šanta, to je manja struja curenja. Ako uzmemo u obzir zajednički otpor Rs i otpor šanta Rsh, odnos struje i napona solarne ćelije može se zapisati kao:

Također možemo koristiti samo jedan parametar, takozvani faktor punjenja, da sumiramo i efekte serijskog otpora i otpora šanta. definirano kao:

Očigledno je da je faktor punjenja maksimalan ako nema serijskog otpornika i ako je otpor šanta beskonačan (bez struje curenja). Svako povećanje serijskog otpora ili smanjenje otpora šanta će smanjiti faktor punjenja. Na ovaj način,. Efikasnost solarnih ćelija može se izraziti sa tri važna parametra: napon otvorenog kola Voc, struja kratkog spoja Isc i faktor punjenja FF.

Očigledno, da bi se poboljšala efikasnost solarne ćelije, potrebno je istovremeno povećati njen napon otvorenog kola, struju kratkog spoja (tj. fotostruju) i faktor punjenja (odnosno, smanjiti serijski otpor i struju curenja).

Napon otvorenog kola i struja kratkog spoja: Sudeći prema prethodnoj formuli, napon otvorenog kruga solarne ćelije je određen fotostrujom i zasićenom ćelijom. Iz perspektive fizike poluprovodnika, napon otvorenog kola jednak je razlici Fermijeve energije između elektrona i rupa u području prostornog naboja. Što se tiče struje zasićenja idealne Pn diode, možete koristiti:

izraziti. gdje q0 predstavlja jedinični naboj, ni predstavlja intrinzičnu koncentraciju nosača poluprovodnika, ND i NA svaki predstavljaju koncentraciju donora i akceptora, Dn i Dp svaki predstavljaju koeficijent difuzije elektrona i rupa, gornji izraz pretpostavlja n - Slučaj kada su i region tipa i region p-tipa široki. Generalno, za solarne ćelije koje koriste supstrate p-tipa, površina n-tipa je vrlo plitka i gornji izraz treba modificirati.

Ranije smo spomenuli da kada je solarna ćelija osvijetljena, generira se fotostruja, a fotostruja je struja zatvorenog kruga u odnosu struja-napon solarne ćelije. Ovdje ćemo ukratko opisati porijeklo fotostruje. Brzina generisanja nosilaca u jedinici zapremine po jedinici vremena (jedinica m -3 s -1 ) određena je koeficijentom apsorpcije svetlosti, tj.

Među njima, α predstavlja koeficijent apsorpcije svjetlosti, koji je intenzitet upadnih fotona (ili gustina fluksa fotona), a R se odnosi na koeficijent refleksije, tako da predstavlja intenzitet upadnih fotona koji se ne reflektiraju. Tri glavna mehanizma koji generišu fotostruju su: difuziona struja manjinskih nosilaca elektrona u oblasti p-tipa, difuziona struja rupa manjinskih nosilaca u n-tipu oblasti i drift elektrona i rupa u oblasti prostornog naboja. struja. Stoga se fotostruja može približno izraziti kao:

Među njima, svaki Ln i Lp predstavljaju dužinu difuzije elektrona u području p-tipa i rupa u n-tipu, a predstavlja širinu područja prostornog naboja. Sumirajući ove rezultate, dobijamo jednostavan izraz za napon otvorenog kola:

gdje Vrcc predstavlja brzinu rekombinacije parova elektron-rupa po jedinici volumena. Naravno, ovo je prirodan rezultat, jer je napon otvorenog kola jednak Fermijevoj energijskoj razlici između elektrona i rupa u području prostornog naboja, a razlika Fermijeve energije između elektrona i rupa određena je brzinom generiranja nosioca i brzinom rekombinacije .