Πώς λειτουργούν τα ηλιακά κύτταρα

Ηλιακά κύτταρα απορροφούν το ηλιακό φως για να παράγουν τις λειτουργίες των συνηθισμένων μπαταριών. Αλλά σε αντίθεση με τις παραδοσιακές μπαταρίες, η τάση εξόδου και η μέγιστη ισχύς εξόδου των παραδοσιακών μπαταριών είναι σταθερές, ενώ η τάση εξόδου, το ρεύμα και η ισχύς των ηλιακών κυψελών σχετίζονται με τις συνθήκες φωτισμού και τα σημεία λειτουργίας του φορτίου. Εξαιτίας αυτού, για να χρησιμοποιήσετε ηλιακά κύτταρα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, πρέπει να κατανοήσετε τη σχέση ρεύματος-τάσης και την αρχή λειτουργίας των ηλιακών κυψελών.

Φασματικός φωτισμός ηλιακού φωτός:

Η πηγή ενέργειας των ηλιακών κυψελών είναι το ηλιακό φως, επομένως η ένταση και το φάσμα του προσπίπτοντος ηλιακού φωτός καθορίζουν το ρεύμα και την τάση εξόδου από το ηλιακό στοιχείο. Γνωρίζουμε ότι όταν ένα αντικείμενο τοποθετείται κάτω από τον ήλιο, δέχεται το ηλιακό φως με δύο τρόπους, ο ένας είναι το άμεσο ηλιακό φως και ο άλλος είναι διάχυτο ηλιακό φως αφού διασκορπιστεί από άλλα αντικείμενα στην επιφάνεια. Υπό κανονικές συνθήκες, το άμεσο προσπίπτον φως αντιπροσωπεύει περίπου το 80% του φωτός που λαμβάνεται από ένα ηλιακό κύτταρο. Επομένως, η συζήτησή μας που ακολουθεί θα επικεντρωθεί επίσης στην άμεση έκθεση στο ηλιακό φως.

Η ένταση και το φάσμα του ηλιακού φωτός μπορεί να εκφραστεί με την ακτινοβολία του φάσματος, που είναι η φωτεινή ισχύς ανά μονάδα μήκους κύματος ανά μονάδα επιφάνειας (W/㎡um). Η ένταση του ηλιακού φωτός (W/㎡) είναι το άθροισμα όλων των μηκών κύματος του φωτισμού του φάσματος. Ο φωτισμός φάσματος του ηλιακού φωτός σχετίζεται με τη μετρούμενη θέση και τη γωνία του ήλιου σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Αυτό συμβαίνει επειδή το ηλιακό φως θα απορροφηθεί και θα διασκορπιστεί από την ατμόσφαιρα πριν φτάσει στην επιφάνεια της γης. Οι δύο παράγοντες θέσης και γωνίας αντιπροσωπεύονται γενικά από τη λεγόμενη μάζα αέρα (AM). Για τον ηλιακό φωτισμό, το AMO αναφέρεται στην κατάσταση στο διάστημα όταν ο ήλιος λάμπει απευθείας. Η έντασή του φωτός είναι περίπου 1353 W/㎡, που είναι περίπου ισοδύναμη με την πηγή φωτός που παράγεται από την ακτινοβολία του μαύρου σώματος με θερμοκρασία 5800K. Το AMI αναφέρεται στην κατάσταση στην επιφάνεια της γης, όταν ο ήλιος λάμπει απευθείας, η ένταση του φωτός είναι περίπου 925 W/m2. Το AMI.5 αναφέρεται στην κατάσταση στην επιφάνεια της γης, όταν ο ήλιος προσπίπτει υπό γωνία 45 μοιρών, η ένταση του φωτός είναι περίπου 844 W/m2. Το AM 1.5 χρησιμοποιείται γενικά για να αναπαραστήσει τον μέσο φωτισμό του ηλιακού φωτός στην επιφάνεια της γης. Μοντέλο κυκλώματος ηλιακών κυττάρων:

Όταν δεν υπάρχει φως, ένα ηλιακό στοιχείο συμπεριφέρεται σαν δίοδος σύνδεσης pn. Η σχέση ρεύματος-τάσης μιας ιδανικής διόδου μπορεί να εκφραστεί ως

Όπου I αντιπροσωπεύει το ρεύμα, το V αντιπροσωπεύει την τάση, Is είναι το ρεύμα κορεσμού και VT=KBT/q0, όπου το KB αντιπροσωπεύει τη σταθερά BoItzmann, το q0 είναι το μοναδιαίο ηλεκτρικό φορτίο και το T είναι η θερμοκρασία. Σε θερμοκρασία δωματίου, VT=0,026v. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η κατεύθυνση του ρεύματος της διόδου Pn ορίζεται ώστε να ρέει από τον τύπο P στον τύπο n στη συσκευή και οι θετικές και αρνητικές τιμές της τάσης ορίζονται ως το δυναμικό τερματικού τύπου P μείον το τερματικό δυναμικό τύπου n. Επομένως, εάν ακολουθηθεί αυτός ο ορισμός, όταν το ηλιακό στοιχείο λειτουργεί, η τιμή τάσης του είναι θετική, η τρέχουσα τιμή του είναι αρνητική και η καμπύλη IV βρίσκεται στο τέταρτο τεταρτημόριο. Πρέπει να υπενθυμίσουμε στους αναγνώστες εδώ ότι η λεγόμενη ιδανική δίοδος βασίζεται σε πολλές φυσικές συνθήκες και οι πραγματικές δίοδοι θα έχουν φυσικά κάποιους μη ιδανικούς παράγοντες που επηρεάζουν τη σχέση ρεύματος-τάσης της συσκευής, όπως ρεύμα παραγωγής-ανασυνδυασμού, εδώ θα μην το συζητήσετε πολύ. Όταν το ηλιακό στοιχείο εκτεθεί στο φως, θα υπάρχει φωτορεύμα στη δίοδο pn. Επειδή η κατεύθυνση του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου της διασταύρωσης pn είναι από τον τύπο n στον τύπο p, τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται από την απορρόφηση των φωτονίων θα τρέχουν προς το άκρο τύπου n, ενώ οι οπές προς το p -τύπου τέλος. Το φωτορεύμα που σχηματίζεται από τους δύο θα ρέει από τον n-type στον p-type. Γενικά, η κατεύθυνση προς τα εμπρός ρεύματος μιας διόδου ορίζεται ότι ρέει από τον τύπο p στον τύπο n. Με αυτόν τον τρόπο, σε σύγκριση με μια ιδανική δίοδο, το φωτορεύμα που δημιουργείται από ένα ηλιακό στοιχείο όταν φωτίζεται είναι αρνητικό ρεύμα. Η σχέση ρεύματος-τάσης του ηλιακού στοιχείου είναι η ιδανική δίοδος συν ένα αρνητικό φωτορεύμα IL, του οποίου το μέγεθος είναι:

Με άλλα λόγια, όταν δεν υπάρχει φως, IL=0, το ηλιακό στοιχείο είναι απλώς μια συνηθισμένη δίοδος. Όταν το ηλιακό στοιχείο είναι βραχυκυκλωμένο, δηλαδή V=0, το ρεύμα βραχυκυκλώματος είναι Isc=-IL. Δηλαδή, όταν το ηλιακό στοιχείο βραχυκυκλώνεται, το ρεύμα βραχυκυκλώματος είναι το φωτορεύμα που δημιουργείται από το προσπίπτον φως. Αν το ηλιακό στοιχείο είναι ανοιχτό κύκλωμα, δηλαδή αν I=0, η τάση ανοιχτού κυκλώματος του είναι:

Σχήμα 2. Ισοδύναμο κύκλωμα ηλιακής κυψέλης: (α) χωρίς, (β) με αντιστάσεις σειράς και διακλάδωσης. Πρέπει να τονιστεί εδώ ότι η τάση ανοιχτού κυκλώματος και το ρεύμα βραχυκυκλώματος είναι δύο σημαντικές παράμετροι των χαρακτηριστικών των ηλιακών κυψελών.

Η ισχύς εξόδου ενός ηλιακού στοιχείου είναι το γινόμενο του ρεύματος και της τάσης:

Προφανώς, η ισχύς που παράγεται από το ηλιακό στοιχείο δεν είναι μια σταθερή τιμή. Φτάνει τη μέγιστη τιμή σε ένα συγκεκριμένο σημείο λειτουργίας τάσης ρεύματος και η μέγιστη ισχύς εξόδου Pmax μπορεί να προσδιοριστεί με dp/dv=0. Μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η τάση εξόδου στη μέγιστη ισχύ εξόδου Pmax είναι:

και το ρεύμα εξόδου είναι:

Η μέγιστη ισχύς εξόδου του ηλιακού κυττάρου είναι:

Η απόδοση μιας ηλιακής κυψέλης αναφέρεται στην αναλογία της ηλιακής κυψέλης που μετατρέπει την ακίδα ισχύος του προσπίπτοντος φωτός στη μέγιστη ηλεκτρική ισχύ εξόδου, δηλαδή:

Οι γενικές μετρήσεις απόδοσης ηλιακών κυψελών χρησιμοποιούν μια πηγή φωτός παρόμοια με το ηλιακό φως με pin=1000W/㎡.

Πειραματικά, η σχέση ρεύματος-τάσης των ηλιακών κυψελών δεν ακολουθεί πλήρως την παραπάνω θεωρητική περιγραφή. Αυτό συμβαίνει επειδή η ίδια η φωτοβολταϊκή συσκευή έχει τη λεγόμενη αντίσταση σειράς και αντίσταση διακλάδωσης. Για οποιοδήποτε υλικό ημιαγωγών, ή την επαφή μεταξύ ημιαγωγού και μετάλλου, αναπόφευκτα θα υπάρχει μεγαλύτερη ή μικρότερη αντίσταση, η οποία θα σχηματίσει την αντίσταση σειράς της φωτοβολταϊκής συσκευής. Από την άλλη πλευρά, οποιαδήποτε διαδρομή ρεύματος εκτός της ιδανικής διόδου Pn μεταξύ των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων της φωτοβολταϊκής συσκευής θα προκαλέσει το λεγόμενο ρεύμα διαρροής, όπως το ρεύμα ανασυνδυασμού παραγωγής στη συσκευή. , ρεύμα ανασυνδυασμού επιφάνειας, ατελής απομόνωση άκρων της συσκευής και διασταύρωση διείσδυσης μεταλλικής επαφής.

Συνήθως, χρησιμοποιούμε αντίσταση διακλάδωσης για να ορίσουμε το ρεύμα διαρροής των ηλιακών κυψελών, δηλαδή Rsh=V/Ileak. Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση διακλάδωσης, τόσο μικρότερο είναι το ρεύμα διαρροής. Αν λάβουμε υπόψη την αντίσταση άρθρωσης Rs και την αντίσταση διακλάδωσης Rsh, η σχέση ρεύματος-τάσης του ηλιακού στοιχείου μπορεί να γραφτεί ως:

Μπορούμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε μόνο μία παράμετρο, τον λεγόμενο παράγοντα πλήρωσης, για να συνοψίσουμε τόσο τα αποτελέσματα της αντίστασης σειράς όσο και της αντίστασης διακλάδωσης. οριζεται ως:

Είναι προφανές ότι ο συντελεστής πλήρωσης είναι μέγιστος εάν δεν υπάρχει αντίσταση σειράς και η αντίσταση διακλάδωσης είναι άπειρη (χωρίς ρεύμα διαρροής). Οποιαδήποτε αύξηση της αντίστασης σειράς ή μείωση της αντίστασης διακλάδωσης θα μειώσει τον συντελεστή πλήρωσης. Με αυτόν τον τρόπο,. Η απόδοση των ηλιακών κυψελών μπορεί να εκφραστεί με τρεις σημαντικές παραμέτρους: τάση ανοιχτού κυκλώματος Voc, ρεύμα βραχυκυκλώματος Isc και συντελεστή πλήρωσης FF.

Προφανώς, για να βελτιωθεί η απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου, είναι απαραίτητο να αυξηθεί ταυτόχρονα η τάση ανοιχτού κυκλώματος, το ρεύμα βραχυκυκλώματος (δηλαδή, το φωτορεύμα) και ο συντελεστής πλήρωσης (δηλαδή, η μείωση της αντίστασης σειράς και του ρεύματος διαρροής).

Τάση ανοιχτού κυκλώματος και ρεύμα βραχυκυκλώματος: Κρίνοντας από τον προηγούμενο τύπο, η τάση ανοιχτού κυκλώματος του ηλιακού στοιχείου προσδιορίζεται από το φωτορεύμα και το κορεσμένο στοιχείο. Από την άποψη της φυσικής ημιαγωγών, η τάση ανοιχτού κυκλώματος είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας Fermi μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή φορτίου χώρου. Όσον αφορά το ρεύμα κορεσμού μιας ιδανικής διόδου Pn, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε:

να εκφράσουν. όπου το q0 αντιπροσωπεύει το φορτίο μονάδας, το ni αντιπροσωπεύει την εγγενή συγκέντρωση φορέα του ημιαγωγού, το ND και το NA το καθένα αντιπροσωπεύουν τη συγκέντρωση του δότη και ο δέκτης, το Dn και το Dp το καθένα αντιπροσωπεύουν τον συντελεστή διάχυσης ηλεκτρονίων και οπών, η παραπάνω έκφραση υποθέτει n - Η περίπτωση όπου τόσο η περιοχή τύπου όσο και η περιοχή τύπου p είναι και οι δύο ευρεία. Γενικά, για ηλιακά κύτταρα που χρησιμοποιούν υποστρώματα τύπου p, η περιοχή τύπου n είναι πολύ ρηχή και η παραπάνω έκφραση πρέπει να τροποποιηθεί.

Αναφέραμε προηγουμένως ότι όταν ένα ηλιακό στοιχείο φωτίζεται, δημιουργείται φωτορεύμα και το φωτορεύμα είναι το ρεύμα κλειστού κυκλώματος στη σχέση ρεύματος-τάσης του ηλιακού κυττάρου. Εδώ θα περιγράψουμε εν συντομία την προέλευση του φωτορεύματος. Ο ρυθμός παραγωγής φορέων σε μονάδα όγκου ανά μονάδα χρόνου (μονάδα m -3 s -1) καθορίζεται από τον συντελεστή απορρόφησης φωτός, δηλαδή

Μεταξύ αυτών, το α αντιπροσωπεύει τον συντελεστή απορρόφησης φωτός, που είναι η ένταση των προσπίπτων φωτονίων (ή η πυκνότητα της ροής φωτονίων), και το R αναφέρεται στον συντελεστή ανάκλασης, επομένως αντιπροσωπεύει την ένταση των προσπίπτων φωτονίων που δεν ανακλώνται. Οι τρεις κύριοι μηχανισμοί που δημιουργούν φωτορεύμα είναι: το ρεύμα διάχυσης των ηλεκτρονίων μειοψηφίας φορέων στην περιοχή τύπου p, το ρεύμα διάχυσης των οπών μειοψηφίας στην περιοχή τύπου n και η μετατόπιση ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή φορτίου χώρου. ρεύμα. Επομένως, το φωτορεύμα μπορεί να εκφραστεί περίπου ως:

Μεταξύ αυτών, τα Ln και Lp αντιπροσωπεύουν το καθένα το μήκος διάχυσης των ηλεκτρονίων στην περιοχή τύπου p και των οπών στην περιοχή τύπου n, και είναι το πλάτος της περιοχής φορτίου χώρου. Συνοψίζοντας αυτά τα αποτελέσματα, παίρνουμε μια απλή έκφραση για την τάση ανοιχτού κυκλώματος:

όπου το Vrcc αντιπροσωπεύει τον ρυθμό ανασυνδυασμού των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών ανά μονάδα όγκου. Φυσικά, αυτό είναι ένα φυσικό αποτέλεσμα, επειδή η τάση ανοιχτού κυκλώματος είναι ίση με τη διαφορά ενέργειας Fermi μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών στην περιοχή φορτίου χώρου και η διαφορά ενέργειας Fermi μεταξύ ηλεκτρονίων και οπών καθορίζεται από τον ρυθμό παραγωγής φέροντος και τον ρυθμό ανασυνδυασμού .