Sut mae celloedd solar yn gweithio

Celloedd solar amsugno golau'r haul i gynhyrchu swyddogaethau batris cyffredin. Ond yn wahanol i batris traddodiadol, mae foltedd allbwn ac uchafswm pŵer allbwn batris traddodiadol yn sefydlog, tra bod foltedd allbwn, cerrynt a phŵer celloedd solar yn gysylltiedig ag amodau goleuo a phwyntiau gweithredu llwyth. Oherwydd hyn, er mwyn defnyddio celloedd solar i gynhyrchu trydan, rhaid i chi ddeall y berthynas gyfredol-foltedd ac egwyddor weithio celloedd solar.

Goleuo sbectrol golau'r haul:

Ffynhonnell ynni celloedd solar yw golau'r haul, felly mae dwyster a sbectrwm golau haul digwyddiad yn pennu allbwn cerrynt a foltedd y gell solar. Gwyddom, pan osodir gwrthrych o dan yr haul, ei fod yn derbyn golau haul mewn dwy ffordd, mae un yn olau haul uniongyrchol, a'r llall yn olau haul gwasgaredig ar ôl cael ei wasgaru gan wrthrychau eraill ar yr wyneb. O dan amgylchiadau arferol, mae golau digwyddiad uniongyrchol yn cyfrif am tua 80% o'r golau a dderbynnir gan gell solar. Felly, bydd ein trafodaeth ganlynol hefyd yn canolbwyntio ar amlygiad uniongyrchol i olau'r haul.

Gellir mynegi dwyster a sbectrwm golau'r haul gan arbelydru sbectrwm, sef y pŵer golau fesul tonfedd uned fesul ardal uned (W / ㎡um). Dwysedd golau'r haul (W/㎡) yw swm holl donfedd goleuo sbectrwm. Mae goleuo sbectrwm golau'r haul yn gysylltiedig â'r safle mesuredig ac ongl yr haul o'i gymharu ag arwyneb y ddaear. Mae hyn oherwydd y bydd golau'r haul yn cael ei amsugno a'i wasgaru gan yr atmosffer cyn cyrraedd wyneb y ddaear. Mae'r ddau ffactor o safle ac ongl yn cael eu cynrychioli'n gyffredinol gan yr hyn a elwir yn fàs aer (AM). Ar gyfer goleuo solar, mae AMO yn cyfeirio at y sefyllfa yn y gofod allanol pan fydd yr haul yn tywynnu'n uniongyrchol. Mae ei ddwysedd golau oddeutu 1353 W / ㎡, sy'n cyfateb yn fras i'r ffynhonnell golau a gynhyrchir gan ymbelydredd corff du gyda thymheredd o 5800K. Mae AMI yn cyfeirio at y sefyllfa ar wyneb y ddaear, pan fydd yr haul yn tywynnu'n uniongyrchol, mae dwyster y golau tua 925 W / m2. Mae AMI.5 yn cyfeirio at y sefyllfa ar wyneb y ddaear, pan fo'r haul yn digwydd ar ongl o 45 gradd, mae dwyster y golau tua 844 W/m2. Defnyddir AM 1.5 yn gyffredinol i gynrychioli'r goleuo cyfartalog o olau'r haul ar wyneb y ddaear. Model cylched celloedd solar:

Pan nad oes golau, mae cell solar yn ymddwyn fel deuod cyffordd pn. Gellir mynegi perthynas cerrynt-foltedd deuod delfrydol fel

Lle rwy'n cynrychioli'r cerrynt, mae V yn cynrychioli'r foltedd, Is yw'r cerrynt dirlawnder, a VT = KBT/q0, lle mae KB yn cynrychioli'r cysonyn BoItzmann, q0 yw gwefr drydan yr uned, a T yw'r tymheredd. Ar dymheredd ystafell, VT=0.026v. Dylid nodi bod cyfeiriad y cerrynt deuod Pn wedi'i ddiffinio i lifo o fath P i fath n yn y ddyfais, a diffinnir gwerthoedd cadarnhaol a negyddol y foltedd fel y potensial terfynell math P. llai'r potensial terfynell math n. Felly, os dilynir y diffiniad hwn, pan fydd y gell solar yn gweithio, mae ei werth foltedd yn bositif, mae ei werth cyfredol yn negyddol, ac mae'r gromlin IV yn y pedwerydd cwadrant. Rhaid atgoffa darllenwyr yma bod y deuod delfrydol fel y'i gelwir yn seiliedig ar lawer o gyflyrau corfforol, ac yn naturiol bydd gan deuodau gwirioneddol rai ffactorau nondelfrydol sy'n effeithio ar berthynas gyfredol-foltedd y ddyfais, megis cerrynt ailgyfuniad cenhedlaeth, yma Byddwn ni'n ennill ' t ei drafod llawer. Pan fydd y gell solar yn agored i olau, bydd ffotogyfrwng yn y deuod pn. Oherwydd bod cyfeiriad maes trydan adeiledig cyffordd pn o n-math i fath-p, bydd y parau twll electron a gynhyrchir gan amsugno ffotonau yn rhedeg tuag at y pen math n, tra bydd y tyllau yn rhedeg tuag at y p. - math diwedd. Bydd y ffotogyfrwng a ffurfir gan y ddau yn llifo o n-math i fath-p. Yn gyffredinol, diffinnir cyfeiriad cerrynt ymlaen deuod fel llifo o fath-p i fath n. Yn y modd hwn, o'i gymharu â deuod delfrydol, mae'r ffotogyfrwng a gynhyrchir gan gell solar wrth ei oleuo yn gerrynt negyddol. Perthynas cerrynt-foltedd y gell solar yw'r deuod delfrydol ynghyd ag IL ffotogerrynt negyddol, sydd â'i faint:

Mewn geiriau eraill, pan nad oes golau, IL=0, dim ond deuod cyffredin yw'r gell solar. Pan fydd y gell solar yn gylched fer, hynny yw, V=0, y cerrynt cylched byr yw Isc=-IL. Hynny yw, pan fydd y gell solar yn fyr ei chylchrediad, y cerrynt cylched byr yw'r ffotolif a gynhyrchir gan olau digwyddiad. Os yw'r gell solar yn gylched agored, hynny yw, os I = 0, ei foltedd cylched agored yw:

Ffigur 2. Cylched cyfwerth o gell solar: (a) heb, (b) gyda gwrthyddion cyfres a siyntio. Rhaid pwysleisio yma bod foltedd cylched agored a cherrynt cylched byr yn ddau baramedr pwysig o nodweddion celloedd solar.

Mae allbwn pŵer cell solar yn gynnyrch cerrynt a foltedd:

Yn amlwg, nid yw'r allbwn pŵer gan y gell solar yn werth sefydlog. Mae'n cyrraedd y gwerth uchaf ar bwynt gweithredu foltedd-cerrynt penodol, a gellir pennu'r pŵer allbwn uchaf Pmax gan dp/dv=0. Gallwn ddiddwytho mai'r foltedd allbwn ar y pŵer allbwn uchaf Pmax yw:

a'r cerrynt allbwn yw:

Uchafswm pŵer allbwn y gell solar yw:

Mae effeithlonrwydd cell solar yn cyfeirio at gymhareb y gell solar yn trosi Pin pŵer y golau digwyddiad i'r pŵer trydanol allbwn mwyaf, hynny yw:

Mae mesuriadau effeithlonrwydd celloedd solar cyffredinol yn defnyddio ffynhonnell golau tebyg i olau'r haul gyda pin = 1000W / ㎡.

Yn arbrofol, nid yw'r berthynas gyfredol-foltedd o gelloedd solar yn dilyn y disgrifiad damcaniaethol uchod yn llwyr. Mae hyn oherwydd bod gan y ddyfais ffotofoltäig ei hun ymwrthedd cyfres a gwrthiant siyntio fel y'i gelwir. Ar gyfer unrhyw ddeunydd lled-ddargludyddion, neu'r cyswllt rhwng lled-ddargludydd a metel, mae'n anochel y bydd ymwrthedd mwy neu lai, a fydd yn ffurfio ymwrthedd cyfres y ddyfais ffotofoltäig. Ar y llaw arall, bydd unrhyw lwybr cyfredol heblaw'r deuod Pn delfrydol rhwng electrodau positif a negyddol y ddyfais ffotofoltäig yn achosi'r cerrynt gollyngiadau, fel y cerrynt ailgyfuniad cenhedlaeth yn y ddyfais. , arwyneb recombination presennol, ynysu ymyl anghyflawn y ddyfais, a chyffordd treiddiad cyswllt metel.

Fel arfer, rydym yn defnyddio gwrthiant siyntio i ddiffinio cerrynt gollyngiadau celloedd solar, hynny yw, Rsh = V / Ileak. Po fwyaf yw'r gwrthiant siyntio, y lleiaf yw'r cerrynt gollyngiadau. Os byddwn yn ystyried y gwrthiant ar y cyd Rs a'r gwrthiant siyntio Rsh, gellir ysgrifennu perthynas cerrynt-foltedd y gell solar fel:

Gallwn hefyd ddefnyddio dim ond un paramedr, y ffactor llenwi fel y'i gelwir, i grynhoi effeithiau ymwrthedd cyfres a gwrthiant siyntio. wedi'i ddiffinio fel:

Mae'n amlwg bod y ffactor llenwi yn uchaf os nad oes gwrthydd cyfres a bod y gwrthiant siynt yn anfeidrol (dim cerrynt gollyngiadau). Bydd unrhyw gynnydd mewn ymwrthedd cyfres neu ostyngiad mewn ymwrthedd siyntio yn lleihau'r ffactor llenwi. Fel hyn, . Gellir mynegi effeithlonrwydd celloedd solar gan dri pharamedr pwysig: foltedd cylched agored Voc, cylched byr cyfredol Isc, a ffactor llenwi FF.

Yn amlwg, er mwyn gwella effeithlonrwydd cell solar, mae angen cynyddu ei foltedd cylched agored ar yr un pryd, cerrynt cylched byr (hynny yw, ffotocurrent), a ffactor llenwi (hynny yw, lleihau ymwrthedd cyfres a cherrynt gollyngiadau).

Foltedd cylched agored a cherrynt cylched byr: A barnu o'r fformiwla flaenorol, mae foltedd cylched agored y gell solar yn cael ei bennu gan y ffotogyfrwng a'r gell dirlawn. O safbwynt ffiseg lled-ddargludyddion, mae'r foltedd cylched agored yn hafal i wahaniaeth ynni Fermi rhwng electronau a thyllau yn y rhanbarth tâl gofod. O ran cerrynt dirlawnder deuod Pn delfrydol, gallwch ddefnyddio:

i fynegi. lle mae q0 yn cynrychioli'r wefr uned, mae ni yn cynrychioli crynodiad cariwr cynhenid ​​y lled-ddargludydd, ND ac NA ill dau yn cynrychioli crynodiad y rhoddwr a'r derbynnydd, Dn a Dp ill dau yn cynrychioli cyfernod trylediad electronau a thyllau, mae'r mynegiad uchod yn rhagdybio n - Yr achos lle mae'r rhanbarth math a'r rhanbarth math-p yn eang. Yn gyffredinol, ar gyfer celloedd solar sy'n defnyddio swbstradau math-p, mae'r ardal n-math yn fas iawn, ac mae angen addasu'r mynegiant uchod.

Soniasom yn gynharach, pan fydd cell solar wedi'i goleuo, bod ffotogyfrwng yn cael ei gynhyrchu, a'r ffotogyfrwng yw'r cerrynt cylched caeedig ym mherthynas cerrynt-foltedd y gell solar. Yma byddwn yn disgrifio'n fyr darddiad y ffotogyfrwng. Mae cyfradd cynhyrchu cludwyr mewn cyfaint uned fesul uned amser (uned m -3 s -1 ) yn cael ei bennu gan y cyfernod amsugno golau, hynny yw

Yn eu plith, mae α yn cynrychioli'r cyfernod amsugno golau, sef dwyster ffotonau digwyddiad (neu ddwysedd fflwcs ffoton), ac mae R yn cyfeirio at y cyfernod adlewyrchiad, felly mae'n cynrychioli dwyster ffotonau digwyddiad nad ydynt yn cael eu hadlewyrchu. Y tri phrif fecanwaith sy'n cynhyrchu ffotogyfrwng yw: cerrynt tryledol electronau cludo lleiafrifol yn y rhanbarth math-p, cerrynt tryledol tyllau cludo lleiafrifol yn y rhanbarth math n, a drifft electronau a thyllau yn y rhanbarth gwefr gofod. presennol. Felly, gellir mynegi'r ffotogyfrwng yn fras fel:

Yn eu plith, mae Ln a Lp yr un yn cynrychioli hyd trylediad electronau yn y rhanbarth math-p a thyllau yn y rhanbarth math n, a dyma lled y rhanbarth tâl gofod. Wrth grynhoi'r canlyniadau hyn, rydyn ni'n cael mynegiant syml ar gyfer y foltedd cylched agored:

lle mae Vrcc yn cynrychioli cyfradd ailgyfuno parau tyllau electron fesul uned gyfaint. Wrth gwrs, mae hwn yn ganlyniad naturiol, oherwydd bod y foltedd cylched agored yn hafal i'r gwahaniaeth ynni Fermi rhwng electronau a thyllau yn y rhanbarth tâl gofod, ac mae gwahaniaeth ynni Fermi rhwng electronau a thyllau yn cael ei bennu gan gyfradd cynhyrchu cludwr a chyfradd ailgyfuno. .