Hvordan solceller fungerer

Solceller absorbere sollys for at producere funktionerne i almindelige batterier. Men i modsætning til traditionelle batterier er udgangsspændingen og den maksimale udgangseffekt for traditionelle batterier faste, mens udgangsspændingen, strømstyrken og effekten af ​​solceller er relateret til lysforhold og belastningsdriftspunkter. På grund af dette, for at bruge solceller til at generere elektricitet, skal du forstå strøm-spændingsforholdet og arbejdsprincippet for solceller.

Spektral belysning af sollys:

Solcellernes energikilde er sollys, så intensiteten og spektret af indfaldende sollys bestemmer strøm- og spændingsoutput fra solcellen. Vi ved, at når en genstand placeres under solen, modtager den sollys på to måder, den ene er direkte sollys, og den anden er diffust sollys efter at være blevet spredt af andre objekter på overfladen. Under normale omstændigheder tegner direkte indfaldende lys sig for omkring 80 % af det lys, en solcelle modtager. Derfor vil vores følgende diskussion også fokusere på direkte udsættelse for sollys.

Intensiteten og spektret af sollys kan udtrykkes ved spektrum irradians, som er lysstyrken pr. bølgelængdeenhed pr. arealenhed (W/㎡um). Intensiteten af ​​sollys (W/㎡) er summen af ​​alle bølgelængder af spektrumbelysning. Spektrumbelysningen af ​​sollys er relateret til den målte position og solens vinkel i forhold til jordens overflade. Dette skyldes, at sollyset vil blive absorberet og spredt af atmosfæren, før det når jordens overflade. De to faktorer position og vinkel er generelt repræsenteret af den såkaldte luftmasse (AM). For solbelysning refererer AMO til situationen i det ydre rum, når solen direkte skinner. Dens lysintensitet er cirka 1353 W/㎡, hvilket omtrent svarer til lyskilden produceret af sortlegemestråling med en temperatur på 5800K. AMI refererer til situationen på jordens overflade, når solen skinner direkte, er lysintensiteten omkring 925 W/m2. AMI.5 refererer til situationen på jordens overflade, når solen falder ind i en vinkel på 45 grader, er lysintensiteten omkring 844 W/m2. AM 1.5 bruges generelt til at repræsentere den gennemsnitlige belysning af sollys på jordens overflade. Solcellekredsløbsmodel:

Når der ikke er lys, opfører en solcelle sig som en pn junction diode. Strøm-spændingsforholdet for en ideel diode kan udtrykkes som

Hvor I repræsenterer strømmen, V repræsenterer spændingen, Is er mætningsstrømmen, og VT=KBT/q0, hvor KB repræsenterer BoItzmann-konstanten, q0 er den elektriske enhedsladning, og T er temperaturen. Ved stuetemperatur, VT=0,026v. Det skal bemærkes, at retningen af ​​Pn-diodestrømmen er defineret til at strømme fra P-type til n-type i enheden, og de positive og negative værdier af spændingen er defineret som P-type terminalpotentialet minus n-type terminalpotentialet. Derfor, hvis denne definition følges, når solcellen arbejder, er dens spændingsværdi positiv, dens nuværende værdi er negativ, og IV-kurven er i fjerde kvadrant. Læserne skal her mindes om, at den såkaldte ideelle diode er baseret på mange fysiske forhold, og faktiske dioder vil naturligvis have nogle ikke-ideelle faktorer, der påvirker enhedens strøm-spændingsforhold, såsom generation-rekombinationsstrøm, her vil vi' diskuterer det ikke meget. Når solcellen udsættes for lys, vil der være fotostrøm i pn-dioden. Fordi den indbyggede elektriske feltretning af pn-forbindelsen er fra n-type til p-type, vil elektron-hul-parrene, der genereres ved absorption af fotoner, løbe mod n-type-enden, mens hullerne vil løbe mod p. -type ende. Fotostrømmen dannet af de to vil flyde fra n-type til p-type. Generelt er den fremadgående strømretning af en diode defineret som strømmende fra p-type til n-type. På denne måde, sammenlignet med en ideel diode, er fotostrømmen, der genereres af en solcelle, når den er belyst, en negativ strøm. Solcellens strøm-spændingsforhold er den ideelle diode plus en negativ fotostrøm IL, hvis størrelse er:

Med andre ord, når der ikke er lys, IL=0, er solcellen bare en almindelig diode. Når solcellen er kortsluttet, det vil sige V=0, er kortslutningsstrømmen Isc=-IL. Det vil sige, at når solcellen er kortsluttet, er kortslutningsstrømmen den fotostrøm, der genereres af indfaldende lys. Hvis solcellen er åben kredsløb, det vil sige, hvis I=0, er dens åben kredsløbsspænding:

Figur 2. Tilsvarende kredsløb af solcelle: (a) uden, (b) med serie- og shuntmodstande. Det skal her understreges, at åben kredsløbsspænding og kortslutningsstrøm er to vigtige parametre for solcellens egenskaber.

Effekten af ​​en solcelle er produktet af strøm og spænding:

Det er klart, at effekten fra solcellen ikke er en fast værdi. Den når maksimumværdien ved et bestemt strømspændingsdriftspunkt, og den maksimale udgangseffekt Pmax kan bestemmes ved dp/dv=0. Vi kan udlede, at udgangsspændingen ved den maksimale udgangseffekt Pmax er:

og udgangsstrømmen er:

Solcellens maksimale udgangseffekt er:

Effektiviteten af ​​en solcelle refererer til forholdet mellem solcellen, der omdanner det indfaldende lyss effektstift til den maksimale udgangseffekt, dvs.

Generelle målinger af solcelleeffektivitet bruger en lyskilde, der ligner sollys med pin=1000W/㎡.

Eksperimentelt følger solcellers strøm-spændingsforhold ikke helt ovenstående teoretiske beskrivelse. Det skyldes, at selve solcelleanlægget har såkaldt seriemodstand og shuntmodstand. For ethvert halvledermateriale, eller kontakten mellem en halvleder og et metal, vil der uundgåeligt være en større eller mindre modstand, som vil danne seriemodstanden for den fotovoltaiske enhed. På den anden side vil enhver anden strømvej end den ideelle Pn-diode mellem de positive og negative elektroder på den fotovoltaiske enhed forårsage den såkaldte lækstrøm, såsom genererings-rekombinationsstrømmen i enheden. , overfladerekombinationsstrøm, ufuldstændig kantisolering af enheden og metalkontaktpenetrationsforbindelse.

Normalt bruger vi shuntmodstand til at definere solcellers lækstrøm, det vil sige Rsh=V/Ileak. Jo større shuntmodstanden er, jo mindre er lækstrømmen. Hvis vi betragter ledmodstanden Rs og shuntmodstanden Rsh, kan strøm-spændingsforholdet for solcellen skrives som:

Vi kan også kun bruge én parameter, den såkaldte fill factor, til at opsummere både effekterne af seriemodstand og shuntmodstand. defineret som:

Det er indlysende, at fyldningsfaktoren er maksimal, hvis der ikke er nogen seriemodstand, og shuntmodstanden er uendelig (ingen lækstrøm). Enhver stigning i seriemodstand eller fald i shuntmodstand vil reducere fyldningsfaktoren. På denne måde. Solcellers effektivitet kan udtrykkes ved tre vigtige parametre: åben kredsløbsspænding Voc, kortslutningsstrøm Isc og fyldfaktor FF.

For at forbedre effektiviteten af ​​en solcelle er det naturligvis nødvendigt at øge dens åbne kredsløbsspænding, kortslutningsstrøm (det vil sige fotostrøm) og fyldfaktor (det vil sige reducere seriemodstand og lækstrøm).

Åben kredsløbsspænding og kortslutningsstrøm: At dømme ud fra den foregående formel er solcellens åben kredsløbsspænding bestemt af fotostrømmen og den mættede celle. Fra halvlederfysikkens perspektiv er åben kredsløbsspændingen lig med Fermi-energiforskellen mellem elektroner og huller i rumladningsområdet. Hvad angår mætningsstrømmen af ​​en ideel Pn-diode, kan du bruge:

at udtrykke. hvor q0 repræsenterer enhedsladningen, ni repræsenterer den iboende bærerkoncentration af halvlederen, ND og NA repræsenterer hver koncentrationen af ​​donoren og acceptoren, Dn og Dp repræsenterer hver diffusionskoefficienten for elektroner og huller, ovenstående udtryk er forudsat n - Det tilfælde, hvor både typeregionen og p-typeregionen begge er brede. Generelt for solceller, der anvender p-type substrater, er n-type området meget lavvandet, og ovenstående udtryk skal modificeres.

Vi nævnte tidligere, at når en solcelle er oplyst, genereres en fotostrøm, og fotostrømmen er den lukkede kredsløbsstrøm i solcellens strøm-spændingsforhold. Her vil vi kort beskrive oprindelsen af ​​fotostrømmen. Genereringshastigheden af ​​bærere i volumenhed pr. tidsenhed (enhed m -3 s -1 ) bestemmes af lysabsorptionskoefficienten, dvs.

Blandt dem repræsenterer α lysabsorptionskoefficienten, som er intensiteten af ​​indfaldende fotoner (eller fotonfluxtæthed), og R refererer til reflektionskoefficienten, så den repræsenterer intensiteten af ​​indfaldende fotoner, der ikke reflekteres. De tre hovedmekanismer, der genererer fotostrøm, er: diffusionsstrømmen af ​​minoritetsbæreelektroner i p-type-området, diffusionsstrømmen af ​​minoritetsbærerhuller i n-type-området og driften af ​​elektroner og huller i rumladningsområdet. nuværende. Derfor kan fotostrømmen tilnærmelsesvis udtrykkes som:

Blandt dem repræsenterer Ln og Lp hver diffusionslængde af elektroner i p-type-området og huller i n-type-området og er bredden af ​​rumladningsområdet. Ved at opsummere disse resultater får vi et simpelt udtryk for åben kredsløbsspænding:

hvor Vrcc repræsenterer rekombinationshastigheden af ​​elektron-hul-par pr. volumenenhed. Selvfølgelig er dette et naturligt resultat, fordi åben kredsløbsspændingen er lig med Fermi energiforskellen mellem elektroner og huller i rumladningsområdet, og Fermi energiforskellen mellem elektroner og huller bestemmes af bærergenereringshastigheden og rekombinationshastigheden .