Wie Solarzellen funktionieren

Solarzellen absorbieren Sonnenlicht, um die Funktionen gewöhnlicher Batterien zu erzeugen. Aber im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien sind die Ausgangsspannung und die maximale Ausgangsleistung herkömmlicher Batterien fest, während Ausgangsspannung, Strom und Leistung von Solarzellen von den Lichtverhältnissen und den Lastbetriebspunkten abhängen. Um Solarzellen zur Stromerzeugung nutzen zu können, müssen Sie daher die Strom-Spannungs-Beziehung und das Funktionsprinzip von Solarzellen verstehen.

Spektrale Beleuchtung des Sonnenlichts:

Die Energiequelle von Solarzellen ist Sonnenlicht, daher bestimmen Intensität und Spektrum des einfallenden Sonnenlichts die Strom- und Spannungsabgabe der Solarzelle. Wir wissen, dass ein Objekt, das der Sonne ausgesetzt wird, das Sonnenlicht auf zwei Arten empfängt: zum einen durch direktes Sonnenlicht und zum anderen durch diffuses Sonnenlicht, nachdem es von anderen Objekten auf der Oberfläche gestreut wurde. Unter normalen Umständen macht direkt einfallendes Licht etwa 80 % des von einer Solarzelle empfangenen Lichts aus. Daher konzentrieren wir uns im Folgenden auch auf die direkte Sonneneinstrahlung.

Die Intensität und das Spektrum des Sonnenlichts können durch die spektrale Bestrahlungsstärke ausgedrückt werden, die die Lichtleistung pro Wellenlängeneinheit pro Flächeneinheit (W/µm) ist. Die Intensität des Sonnenlichts (W/㎡) ist die Summe aller Wellenlängen der Spektrumbeleuchtung. Das Beleuchtungsspektrum des Sonnenlichts hängt von der gemessenen Position und dem Winkel der Sonne relativ zur Erdoberfläche ab. Dies liegt daran, dass das Sonnenlicht von der Atmosphäre absorbiert und gestreut wird, bevor es die Erdoberfläche erreicht. Die beiden Faktoren Position und Winkel werden im Allgemeinen durch die sogenannte Luftmasse (AM) repräsentiert. Bei der Sonnenbeleuchtung bezieht sich AMO auf die Situation im Weltraum, wenn die Sonne direkt scheint. Seine Lichtintensität beträgt ungefähr 1353 W/㎡, was ungefähr der Lichtquelle entspricht, die durch Schwarzkörperstrahlung mit einer Temperatur von 5800 K erzeugt wird. AMI bezieht sich auf die Situation auf der Erdoberfläche, wenn die Sonne direkt scheint, beträgt die Lichtintensität etwa 925 W/m2. AMI.5 bezieht sich auf die Situation auf der Erdoberfläche: Wenn die Sonne in einem Winkel von 45 Grad einfällt, beträgt die Lichtintensität etwa 844 W/m2. AM 1,5 wird im Allgemeinen verwendet, um die durchschnittliche Sonneneinstrahlung auf der Erdoberfläche darzustellen. Modell der Solarzellenschaltung:

Wenn kein Licht vorhanden ist, verhält sich eine Solarzelle wie eine pn-Übergangsdiode. Das Strom-Spannungs-Verhältnis einer idealen Diode kann ausgedrückt werden als:

Dabei steht I für den Strom, V für die Spannung, Is für den Sättigungsstrom und VT=KBT/q0, wobei KB für die BoItzmann-Konstante, q0 für die elektrische Ladungseinheit und T für die Temperatur steht. Bei Raumtemperatur beträgt VT=0,026 V. Es ist zu beachten, dass die Richtung des Pn-Diodenstroms so definiert ist, dass er im Gerät vom P-Typ zum N-Typ fließt, und dass die positiven und negativen Werte der Spannung als P-Typ-Anschlusspotential definiert sind abzüglich des n-Anschlusspotentials. Wenn diese Definition befolgt wird, ist der Spannungswert der Solarzelle im Betrieb positiv, ihr Stromwert negativ und die IV-Kurve liegt im vierten Quadranten. Die Leser müssen hier daran erinnert werden, dass die sogenannte ideale Diode auf vielen physikalischen Bedingungen basiert und dass tatsächliche Dioden natürlich einige nichtideale Faktoren aufweisen, die das Strom-Spannungs-Verhältnis des Geräts beeinflussen, wie z. B. den Erzeugungs-Rekombinationsstrom. Hier haben wir gewonnen. Ich diskutiere nicht viel darüber. Wenn die Solarzelle Licht ausgesetzt wird, entsteht in der pn-Diode ein Fotostrom. Da die eingebaute elektrische Feldrichtung des pn-Übergangs vom n-Typ zum p-Typ reicht, verlaufen die durch die Absorption von Photonen erzeugten Elektron-Loch-Paare zum n-Typ-Ende, während die Löcher zum p-Typ verlaufen -Typ-Ende. Der von den beiden gebildete Photostrom fließt vom n-Typ zum p-Typ. Im Allgemeinen wird die Durchlassrichtung des Stroms einer Diode als Fluss vom p-Typ zum n-Typ definiert. Auf diese Weise ist der von einer Solarzelle bei Beleuchtung erzeugte Fotostrom im Vergleich zu einer idealen Diode ein negativer Strom. Das Strom-Spannungs-Verhältnis der Solarzelle ergibt sich aus der idealen Diode plus einem negativen Photostrom IL, dessen Größe ist:

Mit anderen Worten: Wenn kein Licht vorhanden ist, IL=0, ist die Solarzelle nur eine gewöhnliche Diode. Wenn die Solarzelle kurzgeschlossen ist, also V=0, beträgt der Kurzschlussstrom Isc=-IL. Das heißt, wenn die Solarzelle kurzgeschlossen wird, ist der Kurzschlussstrom der durch einfallendes Licht erzeugte Fotostrom. Wenn die Solarzelle im Leerlauf ist, d. h. wenn I=0, beträgt ihre Leerlaufspannung:

Abbildung 2. Ersatzschaltbild einer Solarzelle: (a) ohne, (b) mit Serien- und Shunt-Widerständen. An dieser Stelle muss betont werden, dass die Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom zwei wichtige Parameter für die Eigenschaften von Solarzellen sind.

Die Leistung einer Solarzelle ist das Produkt aus Strom und Spannung:

Offensichtlich ist die von der Solarzelle abgegebene Leistung kein fester Wert. Sie erreicht den Maximalwert bei einem bestimmten Strom-Spannungs-Arbeitspunkt und die maximale Ausgangsleistung Pmax kann durch dp/dv=0 bestimmt werden. Daraus lässt sich ableiten, dass die Ausgangsspannung bei maximaler Ausgangsleistung Pmax ist:

und der Ausgangsstrom ist:

Die maximale Ausgangsleistung der Solarzelle beträgt:

Der Wirkungsgrad einer Solarzelle bezieht sich auf das Verhältnis der Solarzelle, die die Leistung des einfallenden Lichts in die maximale elektrische Ausgangsleistung umwandelt, d. h.:

Bei allgemeinen Effizienzmessungen von Solarzellen wird eine dem Sonnenlicht ähnliche Lichtquelle mit einem Pin von 1000 W/㎡ verwendet.

Experimentell folgt die Strom-Spannungs-Beziehung von Solarzellen nicht vollständig der obigen theoretischen Beschreibung. Denn das Photovoltaikgerät selbst verfügt über sogenannte Serienwiderstände und Shunt-Widerstände. Für jedes Halbleitermaterial oder den Kontakt zwischen einem Halbleiter und einem Metall gibt es zwangsläufig einen größeren oder kleineren Widerstand, der den Serienwiderstand des Photovoltaikgeräts bildet. Andererseits verursacht jeder andere Strompfad als die ideale Pn-Diode zwischen den positiven und negativen Elektroden des Photovoltaikgeräts den sogenannten Leckstrom, beispielsweise den Erzeugungs-Rekombinationsstrom im Gerät. , Oberflächenrekombinationsstrom, unvollständige Kantenisolierung des Geräts und Metallkontaktdurchdringungsübergang.

Normalerweise verwenden wir den Shunt-Widerstand, um den Leckstrom von Solarzellen zu definieren, d. h. Rsh=V/Ileak. Je größer der Shunt-Widerstand ist, desto kleiner ist der Leckstrom. Wenn wir den Verbindungswiderstand Rs und den Shunt-Widerstand Rsh berücksichtigen, kann die Strom-Spannungs-Beziehung der Solarzelle wie folgt geschrieben werden:

Wir können auch nur einen Parameter verwenden, den sogenannten Füllfaktor, um sowohl die Auswirkungen des Serienwiderstands als auch des Shunt-Widerstands zusammenzufassen. definiert als:

Es ist offensichtlich, dass der Füllfaktor maximal ist, wenn kein Vorwiderstand vorhanden ist und der Shunt-Widerstand unendlich ist (kein Leckstrom). Jede Erhöhung des Serienwiderstands oder eine Verringerung des Shunt-Widerstands verringert den Füllfaktor. Auf diese Weise,. Der Wirkungsgrad von Solarzellen kann durch drei wichtige Parameter ausgedrückt werden: Leerlaufspannung Voc, Kurzschlussstrom Isc und Füllfaktor FF.

Um die Effizienz einer Solarzelle zu verbessern, ist es natürlich notwendig, gleichzeitig ihre Leerlaufspannung, ihren Kurzschlussstrom (d. h. ihren Photostrom) und ihren Füllfaktor (d. h. den Serienwiderstand und den Leckstrom) zu erhöhen.

Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom: Nach der vorherigen Formel wird die Leerlaufspannung der Solarzelle durch den Photostrom und die gesättigte Zelle bestimmt. Aus Sicht der Halbleiterphysik ist die Leerlaufspannung gleich der Fermi-Energiedifferenz zwischen Elektronen und Löchern in der Raumladungszone. Für den Sättigungsstrom einer idealen Pn-Diode können Sie Folgendes verwenden:

ausdrücken. wobei q0 die Einheitsladung darstellt, ni die intrinsische Trägerkonzentration des Halbleiters darstellt, ND und NA jeweils die Konzentration des Donors und des Akzeptors darstellen, Dn und Dp jeweils den Diffusionskoeffizienten von Elektronen und Löchern darstellen. Der obige Ausdruck geht von n aus – Der Fall, in dem sowohl die Typregion als auch die p-Typ-Region breit sind. Im Allgemeinen ist bei Solarzellen, die Substrate vom p-Typ verwenden, der Bereich vom n-Typ sehr flach und der obige Ausdruck muss geändert werden.

Wir haben bereits erwähnt, dass beim Beleuchten einer Solarzelle ein Fotostrom erzeugt wird, und der Fotostrom ist der Ruhestrom im Strom-Spannungs-Verhältnis der Solarzelle. Hier beschreiben wir kurz den Ursprung des Photostroms. Die Erzeugungsrate von Trägern in Volumeneinheiten pro Zeiteinheit (Einheit m -3 s -1 ) wird durch den Lichtabsorptionskoeffizienten bestimmt

Dabei stellt α den Lichtabsorptionskoeffizienten dar, der die Intensität einfallender Photonen (oder Photonenflussdichte) darstellt, und R bezieht sich auf den Reflexionskoeffizienten, also die Intensität einfallender Photonen, die nicht reflektiert werden. Die drei Hauptmechanismen, die einen Photostrom erzeugen, sind: der Diffusionsstrom von Minoritätsträgerelektronen im p-Typ-Bereich, der Diffusionsstrom von Minoritätsträgerlöchern im n-Typ-Bereich und die Drift von Elektronen und Löchern im Raumladungsbereich. aktuell. Daher kann der Photostrom ungefähr ausgedrückt werden als:

Unter diesen stellen Ln und Lp jeweils die Diffusionslänge von Elektronen in der p-Typ-Region und Löchern in der n-Typ-Region dar und sind die Breite der Raumladungszone. Wenn wir diese Ergebnisse zusammenfassen, erhalten wir einen einfachen Ausdruck für die Leerlaufspannung:

wobei Vrcc die Rekombinationsrate von Elektron-Loch-Paaren pro Volumeneinheit darstellt. Dies ist natürlich ein natürliches Ergebnis, da die Leerlaufspannung gleich der Fermi-Energiedifferenz zwischen Elektronen und Löchern im Raumladungsbereich ist und die Fermi-Energiedifferenz zwischen Elektronen und Löchern durch die Ladungsträgererzeugungsrate und die Rekombinationsrate bestimmt wird .