Cumu funziona e cellule solari

Cellule solari assorbe a luce di u sole per pruduce e funzioni di batterie ordinarie. Ma à u cuntrariu di e batterie tradiziunali, a tensione di output è a putenza massima di output di batterie tradiziunali sò fissi, mentre chì a tensione di output, u currente è a putenza di e cellule solari sò ligati à e cundizioni d'illuminazione è i punti di operazione di carica. Per via di questu, per utilizà e cellule solari per generà l'electricità, duvete capisce a relazione currente-tensione è u principiu di travagliu di e cellule solari.

Illuminazione spettrale di u sole:

A fonte d'energia di e cellule solari hè a luce di u sole, cusì l'intensità è u spettru di a luce di u sole incidente determinanu a pruduzzione di corrente è tensione da a cellula solare. Sapemu chì quandu un ughjettu hè postu sottu à u sole, riceve a luz di u sole in dui maneri, unu hè u sole di u sole direttu, è l'altru hè u sole diffuso dopu esse spargugliatu da altri oggetti nantu à a superficia. In circustanze nurmale, a luce incidente diretta conta circa 80% di a luce ricevuta da una cellula solare. Per quessa, a nostra discussione seguente sarà ancu focu annantu à l'esposizione diretta à u sole.

L'intensità è u spettru di a luce di u sole ponu esse spressi da l'irradianza di u spettru, chì hè a putenza luminosa per unità di lunghezza d'onda per unità di area (W/㎡um). L'intensità di a luce di u sole (W/㎡) hè a somma di tutte e lunghezze d'onda di l'illuminazione spettru. L'illuminazione di u spettru di u sole hè in relazione cù a pusizione misurata è l'angolo di u sole relative à a superficia di a terra. Questu hè chì a luz di u sole serà assorbita è spargugliata da l'atmosfera prima di ghjunghje à a superficia di a terra. I dui fattori di pusizioni è angulu sò generalmente rapprisintati da a massa d'aria chjamata (AM). Per l'illuminazione solare, AMO si riferisce à a situazione in u spaziu esterno quandu u sole brilla direttamente. A so intensità luminosa hè di circa 1353 W / ㎡, chì hè apprussimatamente equivalente à a fonte di luce prodotta da a radiazione di u corpu neru cù una temperatura di 5800K. AMI si riferisce à a situazione nantu à a superficia di a terra, quandu u sole brilla direttamente, l'intensità di a luce hè di circa 925 W / m2. AMI.5 si riferisce à a situazione nantu à a superficia di a terra, quandu u sole hè incidente à un angolo di 45 gradi, l'intensità di a luce hè di circa 844 W / m2. AM 1.5 hè generalmente usatu per rapprisintà l'illuminazione media di u sole nantu à a superficia di a terra. Modellu di circuitu di cellula solare:

Quandu ùn ci hè micca luce, una cellula solare si comporta cum'è un diodu di junction pn. A relazione currente-tensione di un diodu ideale pò esse espressa cum'è

Induve I rapprisenta u currente, V rapprisenta a tensione, Is hè u currente di saturazione, è VT = KBT/q0, induve KB rapprisenta a constante di BoItzmann, q0 hè a carica elettrica unità, è T hè a temperatura. À a temperatura di l'ambienti, VT = 0.026v. Si deve esse nutatu chì a direzzione di u currente di diodu Pn hè definitu per scorri da u tipu P à u tipu n in u dispusitivu, è i valori pusitivi è negativi di a tensione sò definiti cum'è u potenziale terminale P-tipu. minus u putenziale terminale n-tipu. Per quessa, se sta definizione hè seguita, quandu a cellula sulari travaglia, u so valore di tensione hè pusitivu, u so valore attuale hè negativu, è a curva IV hè in u quartu quadrant. Lettori deve esse ricurdatu quì chì u cusì-chiamatu diode ideale hè basatu nantu à parechji cundizioni fisichi, è diodes attuali naturalmente hannu qualchi fattori nonideal chì affettanu a relazione currente-tensione di u dispusitivu, comu generazione-recombination currenti, quì Avemu vintu ' ùn ne discute assai. Quandu a cellula solare hè esposta à a luce, ci sarà photocurrent in u diodu pn. Perchè a direzzione di u campu elettricu integrata di a junzione pn hè da n-tipu à p-tipu, i coppie elettroni-buchi generati da l'assorbimentu di fotoni correranu versu l'estremità n-tipu, mentre chì i buchi correranu versu u p. - fine di tipu. A fotocorrente formata da i dui scorri da u tipu n à u tipu p. In generale, a direzzione attuale di un diodu hè definitu cum'è chì fluisce da u tipu p à u tipu n. In questu modu, paragunatu à un diodu ideale, a fotocorrente generata da una cellula solare quandu hè illuminata hè una corrente negativa. A relazione currente-tensione di a cellula solare hè u diodu ideale più una fotocorrente negativa IL, chì a magnitudine hè:

In altri palori, quandu ùn ci hè micca luce, IL = 0, a cellula solare hè solu un diodu ordinariu. Quandu a cellula solare hè in cortu-circuit, vale à dì V=0, u currente di cortu-circuit hè Isc=-IL. Vale à dì, quandu a cellula solare hè in cortu-circuit, a currente di cortu-circuit hè a photocurrent generata da a luce incidente. Se a cellula solare hè in circuitu apertu, vale à dì, se I = 0, a so tensione di circuitu apertu hè:

Figura 2. Circuitu equivalenti di cellula sulari: (a) senza, (b) cù resistori di serie è shunt. Ci vole à enfatizà quì chì a tensione di circuitu apertu è u currente di cortu circuitu sò dui parametri impurtanti di e caratteristiche di e cellule solari.

A putenza di una cellula solare hè u pruduttu di a corrente è a tensione:

Ovviamente, a putenza di a cella solare ùn hè micca un valore fissu. Righjunghji u valore massimu à un certu puntu di funziunamentu di tensione di corrente, è a putenza massima di output Pmax pò esse determinata da dp / dv = 0. Pudemu deduce chì a tensione di output à a putenza massima di output Pmax hè:

è a corrente di uscita hè:

A putenza massima di output di a cellula solare hè:

L'efficienza di una cellula solare si riferisce à u rapportu di a cellula solare chì cunvertisce a putenza Pin di a luce incidente in a putenza elettrica massima di output, vale à dì:

A misurazione generale di l'efficienza di e cellule solari usa una fonte di luce simile à a luce di u sole cù pin = 1000W / ㎡.

Sperimentalmente, a relazione currente-tensione di e cellule solari ùn seguita micca cumpletamente a descrizzione teorica sopra. Questu hè chì u dispusitivu fotovoltaicu stessu hà cusì chjamatu resistenza di serie è resistenza shunt. Per ogni materiale semiconductor, o u cuntattu trà un semiconductor è un metallu, ci sarà inevitabbilità una resistenza maiò o menu, chì formanu a resistenza seria di u dispusitivu photovoltaic. Per d 'altra banda, ogni percorsu di corrente altru ch'è u diodu Pn ideale trà l'elettrodi pusitivi è negativi di u dispusitivu fotovoltaicu pruvucarà a currente di fuga chjamata, cum'è a corrente di generazione-recombinazione in u dispusitivu. , currente di ricombinazione di a superficia, isolamentu incompletu di u bordu di u dispusitivu è junction di penetrazione di u cuntattu di metalli.

Di solitu, usemu a resistenza di shunt per definisce u currente di fuga di e cellule solari, vale à dì, Rsh=V/Ileak. A più grande hè a resistenza di shunt, più chjuca hè a corrente di fuga. Se cunsideremu a resistenza di l'unione Rs è a resistenza di shunt Rsh, a relazione currente-tensione di a cellula solare pò esse scritta cum'è:

Pudemu ancu aduprà solu un paràmetru, u cusì chjamatu fattore di riempimentu, per sintetizà l'effetti di a resistenza di serie è a resistenza di shunt. definitu cum'è:

Hè ovvi chì u fattore di riempimentu hè massimu s'ellu ùn ci hè micca resistenza di serie è a resistenza di shunt hè infinita (senza corrente di fuga). Ogni aumentu di a resistenza di serie o diminuzione di a resistenza di shunt riduce u fattore di riempimentu. In questu modu,. L'efficienza di e cellule solari pò esse espressa da trè paràmetri impurtanti: voltage di circuitu apertu Voc, currente di cortu circuitu Isc, è fattore di riempimentu FF.

Ovviamente, per migliurà l'efficienza di una cellula solare, hè necessariu di aumentà simultaneamente a so tensione di circuitu apertu, u currente di cortu circuitu (vale à dì, fotocorrente), è u fattore di riempimentu (vale à dì, riduce a resistenza di serie è a corrente di fuga).

Tensione di circuitu apertu è currente di cortu circuitu: Ghjudicate da a formula precedente, a tensione di circuitu apertu di a cellula solare hè determinata da a fotocorrente è a cellula saturata. Da u puntu di vista di fisica semiconductor, u voltage circuit apertu hè uguali à a diffarenza energia Fermi trà ilittroni è buchi in a regione carica spaziu. In quantu à a corrente di saturazione di un diodu Pn ideale, pudete aduprà:

à sprime. induve q0 rapprisenta a carica unità, ni rapprisenta a cuncentrazione intrinseca di u trasportatore di u semiconductor, ND è NA ognunu rapprisentanu a cuncentrazione di u donatore è l'accettore, Dn è Dp ognunu rapprisenta u coefficient di diffusione di l'elettroni è i buchi, l'espressione sopra assume n - U casu induve a regione di tipu è a regione di p-tipu sò tramindui largu. In generale, per e cellule solari chì utilizanu sustrati p-tipu, l'area di n-tipu hè assai superficiale, è l'espressione sopra deve esse mudificata.

Avemu menzionatu prima chì quandu una cellula solare hè illuminata, una fotocorrente hè generata, è a fotocorrente hè a corrente di circuit chjusu in a relazione currente-voltage di a cellula solare. Quì descriveremu brevemente l'origine di a fotocorrente. A rata di generazione di trasportatori in unità di volumi per unità di tempu (unità m -3 s -1 ) hè determinata da u coefficient d'assorbimentu di luce, vale à dì.

Frà elli, α rapprisenta u coefficient d'assorbimentu di luce, chì hè l'intensità di fotoni incidenti (o densità di flussu di fotoni), è R si riferisce à u coefficient di riflessione, cusì rapprisenta l'intensità di fotoni incidenti chì ùn sò micca riflessi. I trè meccanismi principali chì generanu photocurrent sò: u currente di diffusione di l'elettroni di u trasportatore minoritariu in a regione p-tipu, u currente di diffusione di i buchi di u trasportatore minoritariu in a regione n-tipu, è a deriva di l'elettroni è i buchi in a regione di carica spaziale. currente. Dunque, a fotocorrente pò esse apprussimatamente espressa cum'è:

À mezu à elli, Ln è Lp ognunu rapprisentanu a lunghezza diffusione di l'elettroni in a regione p-tipu è i buchi in a regione n-tipu, è hè a larghezza di a regione carica spaziu. Riassuntu questi risultati, avemu una espressione simplice per a tensione di circuitu apertu:

induve Vrcc rapprisenta a rata di ricombinazione di coppie elettroni-buchi per unità di volume. Di sicuru, chistu è un risultatu naturali, perchè u voltage circuit apertu hè uguali à a diffarenza energia Fermi trà ilittroni è buchi in a regione carica spaziu, è a differenza energia Fermi trà ilittroni è buchi hè ditarminata da u tassu di generazione traspurtadore è tassu recombination .