Com funcionen les cèl·lules solars

Cèl·lules solars absorbeix la llum solar per produir les funcions de les bateries ordinàries. Però, a diferència de les bateries tradicionals, la tensió de sortida i la potència màxima de sortida de les bateries tradicionals són fixes, mentre que la tensió de sortida, el corrent i la potència de les cèl·lules solars estan relacionades amb les condicions d'il·luminació i els punts de funcionament de càrrega. Per això, per utilitzar cèl·lules solars per generar electricitat, heu d'entendre la relació corrent-tensió i el principi de funcionament de les cèl·lules solars.

Il·luminació espectral de la llum solar:

La font d'energia de les cèl·lules solars és la llum solar, de manera que la intensitat i l'espectre de la llum solar incident determinen la sortida de corrent i voltatge de la cèl·lula solar. Sabem que quan un objecte es col·loca sota el sol, rep la llum solar de dues maneres, una és la llum solar directa i l'altra és la llum solar difusa després de ser dispersa per altres objectes a la superfície. En circumstàncies normals, la llum incident directa representa aproximadament el 80% de la llum rebuda per una cèl·lula solar. Per tant, la nostra discussió següent també se centrarà en l'exposició directa a la llum solar.

La intensitat i l'espectre de la llum solar es poden expressar mitjançant la irradiància de l'espectre, que és la potència de la llum per unitat de longitud d'ona per unitat d'àrea (W/㎡um). La intensitat de la llum solar (W/㎡) és la suma de totes les longituds d'ona d'il·luminació de l'espectre. La il·luminació de l'espectre de la llum solar està relacionada amb la posició mesurada i l'angle del sol respecte a la superfície terrestre. Això es deu al fet que la llum solar serà absorbida i dispersa per l'atmosfera abans d'arribar a la superfície terrestre. Els dos factors de posició i angle es representen generalment per l'anomenada massa d'aire (AM). Per a la il·luminació solar, AMO es refereix a la situació a l'espai exterior quan el sol brilla directament. La seva intensitat lumínica és d'aproximadament 1353 W/㎡, que és aproximadament equivalent a la font de llum produïda per la radiació del cos negre amb una temperatura de 5800K. AMI es refereix a la situació a la superfície terrestre, quan el sol brilla directament, la intensitat de la llum és d'uns 925 W/m2. AMI.5 fa referència a la situació a la superfície terrestre, quan el sol incideix en un angle de 45 graus, la intensitat de la llum és d'uns 844 W/m2. AM 1,5 s'utilitza generalment per representar la il·luminació mitjana de la llum solar a la superfície terrestre. Model de circuit de cèl·lules solars:

Quan no hi ha llum, una cèl·lula solar es comporta com un díode d'unió pn. La relació corrent-tensió d'un díode ideal es pot expressar com:

On I representa el corrent, V representa la tensió, Is és el corrent de saturació i VT=KBT/q0, on KB representa la constant de BoItzmann, q0 és la càrrega elèctrica unitat i T és la temperatura. A temperatura ambient, VT=0,026v. Cal tenir en compte que la direcció del corrent del díode Pn es defineix per fluir del tipus P al tipus n al dispositiu, i els valors positius i negatius de la tensió es defineixen com el potencial terminal de tipus P. menys el potencial terminal de tipus n. Per tant, si se segueix aquesta definició, quan la cèl·lula solar està funcionant, el seu valor de tensió és positiu, el seu valor actual és negatiu i la corba IV es troba al quart quadrant. Cal recordar als lectors aquí que l'anomenat díode ideal es basa en moltes condicions físiques, i els díodes reals tindran, naturalment, alguns factors no ideals que afecten la relació corrent-tensió del dispositiu, com ara el corrent de generació-recombinació, aquí no ho discutim gaire. Quan la cèl·lula solar està exposada a la llum, hi haurà fotocorrent al díode pn. Com que la direcció del camp elèctric incorporat de la unió pn és del tipus n al tipus p, els parells d'electrons-forat generats per l'absorció de fotons aniran cap a l'extrem del tipus n, mentre que els forats aniran cap al p -Tipus final. El fotocorrent format pels dos fluirà del tipus n al tipus p. En general, la direcció del corrent directe d'un díode es defineix com que flueix del tipus p al tipus n. D'aquesta manera, en comparació amb un díode ideal, el fotocorrent que genera una cèl·lula solar quan s'il·lumina és un corrent negatiu. La relació corrent-tensió de la cèl·lula solar és el díode ideal més un fotocorrent IL negatiu, la magnitud del qual és:

En altres paraules, quan no hi ha llum, IL=0, la cèl·lula solar és només un díode normal. Quan la cèl·lula solar està en curtcircuit, és a dir, V=0, el corrent de curtcircuit és Isc=-IL. És a dir, quan la cèl·lula solar està en curtcircuit, el corrent de curtcircuit és el fotocorrent generat per la llum incident. Si la cèl·lula solar és de circuit obert, és a dir, si I=0, la seva tensió de circuit obert és:

Figura 2. Circuit equivalent de cèl·lula solar: (a) sense, (b) amb resistències en sèrie i shunt. Cal subratllar aquí que la tensió de circuit obert i el corrent de curtcircuit són dos paràmetres importants de les característiques de la cèl·lula solar.

La potència de sortida d'una cèl·lula solar és el producte del corrent i la tensió:

Òbviament, la potència de sortida de la cèl·lula solar no és un valor fix. Assoleix el valor màxim en un determinat punt de funcionament de tensió de corrent i la potència de sortida màxima Pmax es pot determinar amb dp/dv=0. Podem deduir que la tensió de sortida a la potència de sortida màxima Pmax és:

i el corrent de sortida és:

La potència màxima de sortida de la cèl·lula solar és:

L'eficiència d'una cèl·lula solar es refereix a la proporció de la cèl·lula solar que converteix la potència Pin de la llum incident en la màxima potència elèctrica de sortida, és a dir:

Les mesures generals d'eficiència de les cèl·lules solars utilitzen una font de llum similar a la llum solar amb pin = 1000 W/㎡.

Experimentalment, la relació corrent-tensió de les cèl·lules solars no segueix completament la descripció teòrica anterior. Això es deu al fet que el propi dispositiu fotovoltaic té l'anomenada resistència en sèrie i resistència a la derivació. Per a qualsevol material semiconductor, o el contacte entre un semiconductor i un metall, inevitablement hi haurà una resistència major o menor, que formarà la resistència en sèrie del dispositiu fotovoltaic. D'altra banda, qualsevol camí de corrent diferent del díode Pn ideal entre els elèctrodes positius i negatius del dispositiu fotovoltaic provocarà l'anomenat corrent de fuga, com ara el corrent de generació-recombinació del dispositiu. , corrent de recombinació superficial, aïllament incomplet de les vores del dispositiu i unió de penetració de contacte metàl·lic.

Normalment, fem servir la resistència de derivació per definir el corrent de fuga de les cèl·lules solars, és a dir, Rsh=V/Ileak. Com més gran sigui la resistència de derivació, més petit serà el corrent de fuga. Si considerem la resistència conjunta Rs i la resistència de derivació Rsh, la relació corrent-tensió de la cèl·lula solar es pot escriure com:

També podem utilitzar només un paràmetre, l'anomenat factor d'ompliment, per resumir tant els efectes de la resistència en sèrie com de la resistència a la derivació. Definit com:

És obvi que el factor d'ompliment és màxim si no hi ha resistència en sèrie i la resistència a la derivació és infinita (sense corrent de fuga). Qualsevol augment de la resistència en sèrie o disminució de la resistència a la derivació reduirà el factor d'ompliment. Per aquest camí,. L'eficiència de les cèl·lules solars es pot expressar mitjançant tres paràmetres importants: voltatge de circuit obert Voc, corrent de curtcircuit Isc i factor d'ompliment FF.

Òbviament, per millorar l'eficiència d'una cèl·lula solar, cal augmentar simultàniament la seva tensió de circuit obert, corrent de curtcircuit (és a dir, fotocorrent) i factor d'ompliment (és a dir, reduir la resistència en sèrie i el corrent de fuga).

Tensió de circuit obert i corrent de curtcircuit: a jutjar per la fórmula anterior, la tensió de circuit obert de la cèl·lula solar ve determinada pel fotocorrent i la cèl·lula saturada. Des de la perspectiva de la física dels semiconductors, la tensió del circuit obert és igual a la diferència d'energia de Fermi entre electrons i forats a la regió de càrrega espacial. Pel que fa al corrent de saturació d'un díode Pn ideal, podeu utilitzar:

per expressar. on q0 representa la càrrega unitat, ni representa la concentració intrínseca del portador del semiconductor, ND i NA representen cadascun la concentració del donant i l'acceptor, Dn i Dp representen cadascun el coeficient de difusió d'electrons i forats, l'expressió anterior suposa n - El cas en què tant la regió tipus com la regió tipus p són amples. En general, per a cèl·lules solars que utilitzen substrats de tipus p, l'àrea de tipus n és molt poc profunda i l'expressió anterior s'ha de modificar.

Hem esmentat anteriorment que quan s'il·lumina una cèl·lula solar, es genera un fotocorrent i el fotocorrent és el corrent de circuit tancat en la relació corrent-tensió de la cèl·lula solar. Aquí descriurem breument l'origen del fotocorrent. La taxa de generació de portadors en unitat de volum per unitat de temps (unitat m -3 s -1 ) ve determinada pel coeficient d'absorció de llum, és a dir

Entre ells, α representa el coeficient d'absorció de llum, que és la intensitat dels fotons incidents (o densitat de flux de fotons), i R es refereix al coeficient de reflexió, de manera que representa la intensitat dels fotons incidents que no es reflecteixen. Els tres mecanismes principals que generen fotocorrent són: el corrent de difusió dels electrons portadors minoritaris a la regió de tipus p, el corrent de difusió dels forats portadors minoritaris a la regió de tipus n i la deriva d'electrons i forats a la regió de càrrega espacial. actual. Per tant, el fotocorrent es pot expressar aproximadament com:

Entre ells, Ln i Lp representen cadascun la longitud de difusió dels electrons a la regió de tipus p i els forats a la regió de tipus n, i és l'amplada de la regió de càrrega espacial. Resumint aquests resultats, obtenim una expressió senzilla per a la tensió de circuit obert:

on Vrcc representa la velocitat de recombinació dels parells d'electró-forat per unitat de volum. Per descomptat, aquest és un resultat natural, perquè la tensió del circuit obert és igual a la diferència d'energia de Fermi entre electrons i forats a la regió de càrrega espacial, i la diferència d'energia de Fermi entre electrons i forats està determinada per la taxa de generació de portadors i la taxa de recombinació. .