Jak fungují solární články

Solární články absorbují sluneční světlo a vytvářejí funkce běžných baterií. Ale na rozdíl od tradičních baterií jsou výstupní napětí a maximální výstupní výkon tradičních baterií pevné, zatímco výstupní napětí, proud a výkon solárních článků souvisí s podmínkami osvětlení a provozními body zatížení. Z tohoto důvodu, abyste mohli používat solární články k výrobě elektřiny, musíte pochopit vztah mezi proudem a napětím a princip fungování solárních článků.

Spektrální osvětlení slunečním světlem:

Zdrojem energie solárních článků je sluneční světlo, takže intenzita a spektrum dopadajícího slunečního záření určuje proud a napěťový výstup solárního článku. Víme, že když je objekt umístěn pod sluncem, přijímá sluneční světlo dvěma způsoby, jedním je přímé sluneční světlo a druhým je rozptýlené sluneční světlo poté, co je rozptýleno jinými objekty na povrchu. Za normálních okolností tvoří přímé dopadající světlo asi 80 % světla přijatého solárním článkem. Proto se naše následující diskuze zaměří také na přímé vystavení slunečnímu záření.

Intenzitu a spektrum slunečního světla lze vyjádřit spektrem ozáření, což je světelný výkon na jednotku vlnové délky na jednotku plochy (W/㎡um). Intenzita slunečního světla (W/㎡) je součtem všech vlnových délek osvětlení spektra. Spektrální osvětlení slunečního světla souvisí s měřenou polohou a úhlem slunce vůči zemskému povrchu. Je to proto, že sluneční světlo bude absorbováno a rozptýleno atmosférou, než dosáhne zemského povrchu. Dva faktory polohy a úhlu jsou obecně reprezentovány takzvanou vzduchovou hmotou (AM). Pro sluneční osvětlení se AMO vztahuje na situaci ve vesmíru, kdy slunce přímo svítí. Jeho intenzita světla je přibližně 1353 W/㎡, což je přibližně ekvivalent světelného zdroje produkovaného zářením černého tělesa o teplotě 5800 K. AMI označuje situaci na zemském povrchu, kdy přímo svítí slunce, intenzita světla je cca 925 W/m2. AMI.5 označuje situaci na zemském povrchu, kdy slunce dopadá pod úhlem 45 stupňů, intenzita světla je cca 844 W/m2. AM 1,5 se obecně používá k vyjádření průměrného osvětlení slunečním světlem na zemském povrchu. Model okruhu solárních článků:

Když není světlo, chová se solární článek jako dioda pn přechodu. Vztah mezi proudem a napětím ideální diody lze vyjádřit jako

Kde I představuje proud, V představuje napětí, Is je saturační proud a VT=KBT/q0, kde KB představuje BoItzmannovu konstantu, q0 je jednotkový elektrický náboj a T je teplota. Při pokojové teplotě VT=0,026v. Je třeba poznamenat, že směr proudu Pn diody je definován tak, aby teče z typu P na typ n v zařízení, a kladné a záporné hodnoty napětí jsou definovány jako potenciál svorky typu P. mínus koncový potenciál typu n. Pokud tedy dodržíme tuto definici, když solární článek pracuje, jeho hodnota napětí je kladná, aktuální hodnota záporná a IV křivka je ve čtvrtém kvadrantu. Čtenářům je třeba připomenout, že takzvaná ideální dioda je založena na mnoha fyzikálních podmínkách a skutečné diody budou mít přirozeně některé neideální faktory, které ovlivňují vztah mezi proudem a napětím zařízení, jako je generační a rekombinační proud. moc o tom diskutovat. Když je solární článek vystaven světlu, v pn diodě bude fotoproud. Protože směr vestavěného elektrického pole pn přechodu je od typu n k typu p, páry elektron-díra generované absorpcí fotonů budou probíhat směrem ke konci typu n, zatímco otvory budou probíhat směrem k p - typ konec. Fotoproud tvořený těmito dvěma bude proudit z typu n na typ p. Obecně je dopředný směr proudu diody definován jako proudění od typu p k typu n. Tímto způsobem, ve srovnání s ideální diodou, je fotoproud generovaný solárním článkem při osvětlení záporný proud. Vztah mezi proudem a napětím solárního článku je ideální dioda plus záporný fotoproud IL, jehož velikost je:

Jinými slovy, když není světlo, IL=0, solární článek je jen obyčejná dioda. Když je solární článek zkratován, tj. V=0, je zkratový proud Isc=-IL. To znamená, že když je solární článek zkratován, zkratový proud je fotoproud generovaný dopadajícím světlem. Pokud je solární článek otevřený obvod, to znamená, pokud I=0, jeho napětí naprázdno je:

Obrázek 2. Ekvivalentní obvod solárního článku: (a) bez, (b) se sériovými a bočníkovými odpory. Zde je třeba zdůraznit, že napětí naprázdno a zkratový proud jsou dva důležité parametry charakteristik solárních článků.

Výkon solárního článku je součin proudu a napětí:

Je zřejmé, že výstupní výkon solárního článku není pevnou hodnotou. Dosahuje maximální hodnoty v určitém pracovním bodě proudového napětí a maximální výstupní výkon Pmax lze určit pomocí dp/dv=0. Můžeme odvodit, že výstupní napětí při maximálním výstupním výkonu Pmax je:

a výstupní proud je:

Maximální výstupní výkon solárního článku je:

Účinnost solárního článku se týká poměru solárního článku, který přeměňuje výkonový kolík dopadajícího světla na maximální výstupní elektrický výkon, tj.

Obecná měření účinnosti solárních článků využívají světelný zdroj podobný slunečnímu světlu s pin=1000W/㎡.

Experimentálně se vztah mezi proudem a napětím solárních článků zcela neřídí výše uvedeným teoretickým popisem. Samotné fotovoltaické zařízení má totiž tzv. sériový odpor a bočníkový odpor. Pro jakýkoli polovodičový materiál nebo kontakt mezi polovodičem a kovem bude nevyhnutelně existovat větší nebo menší odpor, který bude tvořit sériový odpor fotovoltaického zařízení. Na druhou stranu jakákoliv proudová cesta jiná než ideální Pn dioda mezi kladnou a zápornou elektrodou fotovoltaického zařízení způsobí tzv. svodový proud, jako je generační rekombinační proud v zařízení. , povrchový rekombinační proud, neúplná okrajová izolace zařízení a kovový kontaktní penetrační spoj.

Obvykle používáme boční odpor k definování svodového proudu solárních článků, to znamená Rsh=V/Ileak. Čím větší je bočník, tím menší je svodový proud. Pokud vezmeme v úvahu společný odpor Rs a bočníkový odpor Rsh, lze vztah mezi proudem a napětím solárního článku zapsat jako:

Můžeme také použít pouze jeden parametr, tzv. faktor plnění, abychom shrnuli jak vliv sériového odporu, tak odpor bočníku. definováno jako:

Je zřejmé, že faktor plnění je maximální, pokud není sériový rezistor a odpor bočníku je nekonečný (žádný svodový proud). Jakékoli zvýšení sériového odporu nebo snížení odporu bočníku sníží faktor plnění. Takto,. Účinnost solárních článků lze vyjádřit třemi důležitými parametry: napětí naprázdno Voc, zkratový proud Isc a faktor plnění FF.

Je zřejmé, že pro zlepšení účinnosti solárního článku je nutné současně zvýšit jeho napětí naprázdno, zkratový proud (to znamená fotoproud) a faktor plnění (to znamená snížit sériový odpor a svodový proud).

Napětí naprázdno a zkratový proud: Soudě podle předchozího vzorce je napětí naprázdno solárního článku určeno fotoproudem a nasyceným článkem. Z pohledu fyziky polovodičů se napětí naprázdno rovná rozdílu Fermiho energie mezi elektrony a dírami v oblasti prostorového náboje. Pokud jde o saturační proud ideální Pn diody, můžete použít:

vyjádřit. kde q0 představuje jednotkový náboj, ni představuje vnitřní koncentraci nosiče polovodiče, ND a NA každý představuje koncentraci donoru a akceptoru, Dn a Dp každý představuje difúzní koeficient elektronů a děr, výše uvedený výraz předpokládá n - Případ, kdy jak oblast typu, tak oblast typu p jsou obě široké. Obecně platí, že pro solární články používající substráty typu p je oblast typu n velmi mělká a výše uvedený výraz je třeba upravit.

Již dříve jsme zmínili, že když je solární článek osvětlen, vzniká fotoproud a fotoproud je proud v uzavřeném obvodu ve vztahu proud-napětí solárního článku. Zde stručně popíšeme vznik fotoproudu. Rychlost generování nosičů v jednotce objemu za jednotku času (jednotka m -3 s -1 ) je určena koeficientem absorpce světla, tzn.

Mezi nimi α představuje koeficient absorpce světla, což je intenzita dopadajících fotonů (nebo hustota toku fotonů), a R označuje koeficient odrazu, takže představuje intenzitu dopadajících fotonů, které se neodrážejí. Tři hlavní mechanismy, které generují fotoproud, jsou: difúzní proud minoritních nosných elektronů v oblasti typu p, difúzní proud děr minoritních nosných děr v oblasti typu n a drift elektronů a děr v oblasti prostorového náboje. aktuální. Proto lze fotoproud přibližně vyjádřit jako:

Z nich každý Ln a Lp představuje difúzní délku elektronů v oblasti typu p a děr v oblasti typu n a je šířkou oblasti prostorového náboje. Shrnutím těchto výsledků získáme jednoduchý výraz pro napětí naprázdno:

kde Vrcc představuje rychlost rekombinace párů elektron-díra na jednotku objemu. Samozřejmě je to přirozený výsledek, protože napětí naprázdno se rovná Fermiho energetickému rozdílu mezi elektrony a dírami v oblasti prostorového náboje a Fermiho energetický rozdíl mezi elektrony a dírami je určen rychlostí generování nosiče a rychlostí rekombinace. .