Kiel funkcias sunaj ĉeloj

Sunĉeloj sorbi sunlumon por produkti la funkciojn de ordinaraj kuirilaroj. Sed male al tradiciaj kuirilaroj, la eliga tensio kaj maksimuma eligo-potenco de tradiciaj kuirilaroj estas fiksitaj, dum la eliga tensio, kurento kaj potenco de sunĉeloj rilatas al lumkondiĉoj kaj ŝarĝaj operaciumoj. Pro tio, por uzi sunĉelojn por generi elektron, vi devas kompreni la nun-tensian rilaton kaj funkciantan principon de sunaj ĉeloj.

Spektra lumigado de sunlumo:

La energifonto de sunĉeloj estas sunlumo, do la intenseco kaj spektro de okazaĵa sunlumo determinas la fluon kaj tensioproduktadon de la sunĉelo. Ni scias ke kiam objekto estas metita sub la sunon, ĝi ricevas sunlumon en du manieroj, unu estas rekta sunlumo, kaj la alia estas difuza sunlumo post esti disigita de aliaj objektoj sur la surfaco. En normalaj cirkonstancoj, rekta okazaĵa lumo respondecas pri proksimume 80% de la lumo ricevita de sunĉelo. Tial, nia sekva diskuto ankaŭ koncentriĝos pri rekta ekspozicio al sunlumo.

La intenseco kaj spektro de sunlumo povas esti esprimitaj per spektra surradiado, kio estas la lumpotenco je unuondolongo per unuo-areo (W/㎡um). La intenseco de sunlumo (W/㎡) estas la sumo de ĉiuj ondolongoj de spektra lumo. La spektra lumigado de sunlumo rilatas al la mezurita pozicio kaj la angulo de la suno rilate al la tera surfaco. Ĉi tio estas ĉar la sunlumo estos absorbita kaj disigita de la atmosfero antaŭ ol atingi la teran surfacon. La du faktoroj de pozicio kaj angulo estas ĝenerale reprezentitaj per la tielnomita aermaso (AM). Por suna lumigado, AMO rilatas al la situacio en kosma spaco kiam la suno rekte brilas. Ĝia lumintenso estas proksimume 1353 W/㎡, kio estas proksimume ekvivalenta al la lumfonto produktita per nigrakorpa radiado kun temperaturo de 5800K. AMI rilatas al la situacio sur la tera surfaco, kiam la suno brilas rekte, la lumintenso estas ĉirkaŭ 925 W/m2. AMI.5 rilatas al la situacio sur la tera surfaco, kiam la suno okazas je angulo de 45 gradoj, la lumintenso estas ĉirkaŭ 844 W/m2. AM 1.5 estas ĝenerale uzata por reprezenti la mezan lumon de sunlumo sur la tera surfaco. Suna ĉela cirkvitomodelo:

Kiam ne estas lumo, suna ĉelo kondutas kiel pn-junkcia diodo. La kurent-tensia rilato de ideala diodo povas esti esprimita kiel

Kie I reprezentas la kurenton, V reprezentas la tension, Is estas la saturiĝa fluo, kaj VT=KBT/q0, kie KB reprezentas la BoItzmann-konstanto, q0 estas la unuo elektra ŝargo, kaj T estas la temperaturo. Ĉe ĉambra temperaturo, VT=0.026v. Oni devas rimarki, ke la direkto de la Pn-dioda fluo estas difinita por flui de P-tipo al n-tipo en la aparato, kaj la pozitivaj kaj negativaj valoroj de la tensio estas difinitaj kiel la P-tipa fina potencialo. minus la n-tipa fina potencialo. Tial, se ĉi tiu difino estas sekvita, kiam la sunĉelo funkcias, ĝia tensiovaloro estas pozitiva, ĝia nuna valoro estas negativa, kaj la IV-kurbo estas en la kvara kvadranto. Legantoj devas esti rememorigitaj ĉi tie, ke la tielnomita ideala diodo baziĝas sur multaj fizikaj kondiĉoj, kaj faktaj diodoj nature havos kelkajn neidealajn faktorojn kiuj influas la kurent-tensian rilaton de la aparato, kiel generacio-rekombina fluo, ĉi tie Ni havos' ne multe diskutas ĝin. Kiam la sunĉelo estas eksponita al lumo, estos fotokurento en la pn-diodo. Ĉar la enkonstruita elektra kampodirekto de la pn-krucvojo estas de n-speca ĝis p-speco, la elektron-truaj paroj generitaj per la sorbado de fotonoj kuros direkte al la n-speca fino, dum la truoj kuros direkte al la p. -type end. La fotofluo formita per la du fluos de n-tipo al p-tipo. Ĝenerale, la antaŭa nuna direkto de diodo estas difinita kiel fluanta de p-speco al n-speco. Tiamaniere, kompare kun ideala diodo, la fotokurento generita de sunĉelo kiam lumigita estas negativa fluo. La kurent-tensia rilato de la sunĉelo estas la ideala diodo kaj plie negativa fotokurento IL, kies grandeco estas:

Alivorte, kiam ne estas lumo, IL=0, la sunĉelo estas nur ordinara diodo. Kiam la sunĉelo estas fuŝkontaktigita, tio estas, V=0, la kurta kurento estas Isc=-IL. Tio estas, kiam la suna ĉelo estas fuŝkontaktigita, la kurtcirkvita kurento estas la fotokurento generita de okazanta lumo. Se la sunĉelo estas malferma cirkvito, tio estas, se I=0, ĝia malferma cirkvitotensio estas:

Figuro 2. Ekvivalenta cirkvito de sunĉelo: (a) sen, (b) kun serioj kaj ŝuntaj rezistiloj. Oni devas emfazi ĉi tie, ke malferma cirkvito tensio kaj kurta cirkvito kurento estas du gravaj parametroj de sunĉelo karakterizaĵoj.

La efekto de suna ĉelo estas la produkto de kurento kaj tensio:

Evidente, la potenco eligo de la suna ĉelo ne estas fiksa valoro. Ĝi atingas la maksimuman valoron ĉe certa kurent-tensia mastruma punkto, kaj la maksimuma eligpotenco Pmax povas esti determinita per dp/dv=0. Ni povas dedukti ke la produkta tensio ĉe la maksimuma produkta potenco Pmax estas:

kaj la eliga kurento estas:

La maksimuma eliga potenco de la sunĉelo estas:

La efikeco de sunĉelo rilatas al la rilatumo de la suna ĉelo konvertanta la potenco Pin de la okazaĵa lumo en la maksimuman eligan elektran potencon, tio estas:

Ĝeneralaj sunĉelaj efikecmezuradoj uzas lumfonton similan al sunlumo kun pinglo=1000W/㎡.

Eksperimente, la nuna-tensia rilato de sunĉeloj ne tute sekvas ĉi-supran teorian priskribon. Ĉi tio estas ĉar la fotovoltaeca aparato mem havas tielnomitan serioreziston kaj ŝuntreziston. Por iu ajn duonkondukta materialo, aŭ la kontakto inter duonkonduktaĵo kaj metalo, neeviteble estos pli granda aŭ pli malgranda rezisto, kiu formos la serioreziston de la fotovoltaeca aparato. Aliflanke, ĉiu nuna pado krom la ideala Pn-diodo inter la pozitivaj kaj negativaj elektrodoj de la fotovoltaeca aparato kaŭzos la tielnomitan elfluan kurenton, kiel ekzemple la generacio-rekombinita fluo en la aparato. , surfaca rekombina fluo, nekompleta randizolado de la aparato, kaj metala kontaktpenetrokrucvojo.

Kutime, ni uzas ŝuntreziston por difini la elfluan kurenton de sunĉeloj, tio estas, Rsh=V/Ileak. Ju pli granda estas la ŝuntrezisto, des pli malgranda estas la elflua kurento. Se ni konsideras la komunan reziston Rs kaj la ŝuntreziston Rsh, la kurent-tensia rilato de la sunĉelo povas esti skribita kiel:

Ni ankaŭ povas uzi nur unu parametron, la tiel nomatan plenig-faktoron, por resumi kaj la efikojn de seriorezisto kaj ŝuntrezisto. difinita kiel:

Estas evidente ke la plenigfaktoro estas maksimuma se ekzistas neniu seriorezistilo kaj la ŝuntrezisto estas senfina (neniu elflua kurento). Ĉiu pliiĝo en seriorezisto aŭ malkresko en ŝuntrezisto reduktos la plenigfaktoron. Tiel,. La efikeco de sunĉeloj povas esti esprimita per tri gravaj parametroj: malferma cirkvita tensio Voc, kurta cirkvito kurento Isc, kaj plenigfaktoro FF.

Evidente, por plibonigi la efikecon de suna ĉelo, estas necese samtempe pliigi ĝian malferman cirkvitan tension, kurtcirkvitan kurenton (tio estas, fotokurenton), kaj plenigfaktoron (tio estas redukti serioreziston kaj elfluan kurenton).

Malferma cirkvito tensio kaj kurta cirkvito kurento: Juĝante de la antaŭa formulo, la malferma cirkvito tensio de la sunĉelo estas determinita de la fotofluo kaj la saturita ĉelo. De la perspektivo de semikonduktaĵa fiziko, la malferma cirkvita tensio estas egala al la Fermi-energiodiferenco inter elektronoj kaj truoj en la spacŝarga regiono. Koncerne la saturigan fluon de ideala Pn-diodo, vi povas uzi:

esprimi. kie q0 reprezentas la unuoŝarĝon, ni reprezentas la internan portantan koncentriĝon de la duonkonduktaĵo, ND kaj NA ĉiu reprezentas la koncentriĝon de la organdonacanto kaj la akceptanto, Dn kaj Dp ĉiu reprezentas la difuzkoeficienton de elektronoj kaj truoj, la supra esprimo supozas n - La kazo kie kaj la tipregiono kaj la p-tipa regiono estas ambaŭ larĝaj. Ĝenerale, por sunĉeloj uzantaj p-specajn substratojn, la n-speca areo estas tre malprofunda, kaj ĉi-supra esprimo devas esti modifita.

Ni menciis pli frue, ke kiam sunĉelo estas lumigita, fotokurento estas generita, kaj la fotokurento estas la fermcirkvita kurento en la kurent-tensia rilato de la sunĉelo. Ĉi tie ni mallonge priskribos la originon de la fotofluo. La generaciofteco de portantoj en unuovolumeno je unuotempo (unuo m -3 s -1 ) estas determinita per la lumsorbadkoeficiento, tio estas

Inter ili, α reprezentas la lumsorbadkoeficienton, kio estas la intenseco de okazaĵaj fotonoj (aŭ fotona fluodenseco), kaj R rilatas al la reflektadkoeficiento, tiel ke ĝi reprezentas la intensecon de okazaĵaj fotonoj kiuj ne estas reflektitaj. La tri ĉefaj mekanismoj kiuj generas fotofluon estas: la difuzfluo de minoritataj portantelektronoj en la p-speca regiono, la difuzfluo de minoritataj portantaj truoj en la n-tipa regiono, kaj la drivo de elektronoj kaj truoj en la spacŝarga regiono. aktuala. Tial, la fotofluo povas esti proksimume esprimita kiel:

Inter ili, Ln kaj Lp ĉiu reprezentas la disvastiglongon de elektronoj en la p-tipa regiono kaj truojn en la n-tipa regiono, kaj estas la larĝo de la spacŝarga regiono. Resumante ĉi tiujn rezultojn, ni ricevas simplan esprimon por la malferma cirkvita tensio:

kie Vrcc reprezentas la rekombinitan indicon de elektron-truaj paroj per unuovolumeno. Kompreneble, ĉi tio estas natura rezulto, ĉar la malferma cirkvito-tensio estas egala al la Fermi-energiodiferenco inter elektronoj kaj truoj en la spacŝarga regiono, kaj la Fermi-energiodiferenco inter elektronoj kaj truoj estas determinita de la portanta generaciorapideco kaj rekombinado. .