Cómo funcionan las células solares

Células solares Absorbe la luz solar para producir las funciones de las baterías normales. Pero a diferencia de las baterías tradicionales, el voltaje de salida y la potencia máxima de salida de las baterías tradicionales son fijos, mientras que el voltaje de salida, la corriente y la potencia de las células solares están relacionados con las condiciones de iluminación y los puntos de operación de la carga. Debido a esto, para utilizar células solares para generar electricidad, es necesario comprender la relación corriente-voltaje y el principio de funcionamiento de las células solares.

Iluminación espectral de la luz solar:

La fuente de energía de las células solares es la luz solar, por lo que la intensidad y el espectro de la luz solar incidente determinan la corriente y el voltaje de salida de la célula solar. Sabemos que cuando un objeto se coloca bajo el sol, recibe luz solar de dos maneras, una es luz solar directa y la otra es luz solar difusa después de ser dispersada por otros objetos en la superficie. En circunstancias normales, la luz incidente directa representa aproximadamente el 80% de la luz recibida por una célula solar. Por lo tanto, nuestra siguiente discusión también se centrará en la exposición directa a la luz solar.

La intensidad y el espectro de la luz solar se pueden expresar mediante la irradiancia espectral, que es la potencia luminosa por unidad de longitud de onda por unidad de área (W/㎡um). La intensidad de la luz solar (W/㎡) es la suma de todas las longitudes de onda del espectro de iluminación. El espectro de iluminación de la luz solar está relacionado con la posición medida y el ángulo del sol con respecto a la superficie terrestre. Esto se debe a que la atmósfera absorberá y dispersará la luz del sol antes de llegar a la superficie terrestre. Los dos factores de posición y ángulo generalmente están representados por la llamada masa de aire (AM). Para la iluminación solar, AMO se refiere a la situación en el espacio exterior cuando el sol brilla directamente. Su intensidad de luz es de aproximadamente 1353 W/㎡, lo que equivale aproximadamente a la fuente de luz producida por la radiación de un cuerpo negro con una temperatura de 5800 K. AMI se refiere a la situación en la superficie terrestre, cuando el sol brilla directamente, la intensidad de la luz es de aproximadamente 925 W/m2. AMI.5 se refiere a la situación en la superficie terrestre, cuando el sol incide en un ángulo de 45 grados, la intensidad de la luz es de aproximadamente 844 W/m2. AM 1,5 se utiliza generalmente para representar la iluminación promedio de la luz solar en la superficie terrestre. Modelo de circuito de células solares:

Cuando no hay luz, una célula solar se comporta como un diodo de unión pn. La relación corriente-voltaje de un diodo ideal se puede expresar como

Donde I representa la corriente, V representa el voltaje, Is es la corriente de saturación y VT=KBT/q0, donde KB representa la constante de BoItzmann, q0 es la unidad de carga eléctrica y T es la temperatura. A temperatura ambiente, VT=0,026v. Cabe señalar que la dirección de la corriente del diodo Pn se define para fluir del tipo P al tipo n en el dispositivo, y los valores positivos y negativos del voltaje se definen como el potencial del terminal tipo P. menos el potencial terminal tipo n. Por tanto, si se sigue esta definición, cuando la célula solar está funcionando, su valor de voltaje es positivo, su valor de corriente es negativo y la curva IV está en el cuarto cuadrante. Se debe recordar a los lectores aquí que el llamado diodo ideal se basa en muchas condiciones físicas, y los diodos reales, naturalmente, tendrán algunos factores no ideales que afectan la relación corriente-voltaje del dispositivo, como la corriente de generación-recombinación, aquí lo haremos. No lo discuto mucho. Cuando la célula solar se expone a la luz, habrá fotocorriente en el diodo pn. Debido a que la dirección del campo eléctrico incorporado de la unión pn es de tipo n a tipo p, los pares electrón-hueco generados por la absorción de fotones correrán hacia el extremo tipo n, mientras que los agujeros correrán hacia el extremo p. -tipo final. La fotocorriente formada por los dos fluirá del tipo n al tipo p. Generalmente, la dirección de la corriente directa de un diodo se define como que fluye del tipo p al tipo n. De esta forma, en comparación con un diodo ideal, la fotocorriente generada por una célula solar cuando se ilumina es una corriente negativa. La relación corriente-voltaje de la celda solar es el diodo ideal más una fotocorriente negativa IL, cuya magnitud es:

En otras palabras, cuando no hay luz, IL=0, la célula solar es simplemente un diodo ordinario. Cuando la célula solar está en cortocircuito, es decir, V=0, la corriente de cortocircuito es Isc=-IL. Es decir, cuando se cortocircuita la célula solar, la corriente de cortocircuito es la fotocorriente generada por la luz incidente. Si la celda solar está en circuito abierto, es decir, si I=0, su tensión en circuito abierto es:

Figura 2. Circuito equivalente de célula solar: (a) sin, (b) con resistencias en serie y en derivación. Debe enfatizarse aquí que el voltaje de circuito abierto y la corriente de cortocircuito son dos parámetros importantes de las características de las células solares.

La potencia de salida de una célula solar es el producto de la corriente y el voltaje:

Obviamente, la potencia producida por la célula solar no es un valor fijo. Alcanza el valor máximo en un cierto punto de funcionamiento de corriente-voltaje, y la potencia de salida máxima Pmax se puede determinar mediante dp/dv=0. Podemos deducir que la tensión de salida a la potencia máxima de salida Pmax es:

y la corriente de salida es:

La potencia máxima de salida de la célula solar es:

La eficiencia de una célula solar se refiere a la relación entre la célula solar que convierte la potencia Pin de la luz incidente en la potencia eléctrica de salida máxima, es decir:

Las mediciones generales de eficiencia de las células solares utilizan una fuente de luz similar a la luz solar con pin=1000W/㎡.

Experimentalmente, la relación corriente-voltaje de las células solares no sigue completamente la descripción teórica anterior. Esto se debe a que el propio dispositivo fotovoltaico tiene la denominada resistencia en serie y resistencia en derivación. Para cualquier material semiconductor, o el contacto entre un semiconductor y un metal, inevitablemente habrá una resistencia mayor o menor, que formará la resistencia en serie del dispositivo fotovoltaico. Por otro lado, cualquier camino de corriente distinto del diodo Pn ideal entre los electrodos positivo y negativo del dispositivo fotovoltaico provocará la denominada corriente de fuga, como la corriente de generación-recombinación en el dispositivo. , corriente de recombinación de superficie, aislamiento de borde incompleto del dispositivo y unión de penetración de contacto metálico.

Por lo general, utilizamos resistencia en derivación para definir la corriente de fuga de las células solares, es decir, Rsh=V/Ileak. Cuanto mayor sea la resistencia de la derivación, menor será la corriente de fuga. Si consideramos la resistencia conjunta Rs y la resistencia en derivación Rsh, la relación corriente-voltaje de la célula solar se puede escribir como:

También podemos usar un solo parámetro, el llamado factor de llenado, para resumir tanto los efectos de la resistencia en serie como de la resistencia en derivación. definido como:

Es obvio que el factor de llenado es máximo si no hay una resistencia en serie y la resistencia en derivación es infinita (sin corriente de fuga). Cualquier aumento en la resistencia en serie o disminución en la resistencia en derivación reducirá el factor de llenado. De este modo,. La eficiencia de las células solares se puede expresar mediante tres parámetros importantes: voltaje de circuito abierto Voc, corriente de cortocircuito Isc y factor de llenado FF.

Obviamente, para mejorar la eficiencia de una célula solar, es necesario aumentar simultáneamente su voltaje de circuito abierto, su corriente de cortocircuito (es decir, fotocorriente) y su factor de llenado (es decir, reducir la resistencia en serie y la corriente de fuga).

Voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito: a juzgar por la fórmula anterior, el voltaje de circuito abierto de la celda solar está determinado por la fotocorriente y la celda saturada. Desde la perspectiva de la física de semiconductores, el voltaje del circuito abierto es igual a la diferencia de energía de Fermi entre los electrones y los huecos en la región de carga espacial. En cuanto a la corriente de saturación de un diodo Pn ideal, puedes utilizar:

para expresar. donde q0 representa la unidad de carga, ni representa la concentración de portador intrínseco del semiconductor, ND y NA representan cada uno la concentración del donante y del aceptor, Dn y Dp representan cada uno el coeficiente de difusión de electrones y huecos, la expresión anterior supone n - El caso en el que tanto la región tipo como la región tipo p son ambas amplias. Generalmente, para las células solares que utilizan sustratos de tipo p, el área de tipo n es muy poco profunda y es necesario modificar la expresión anterior.

Mencionamos anteriormente que cuando se ilumina una célula solar, se genera una fotocorriente, y la fotocorriente es la corriente de circuito cerrado en la relación corriente-voltaje de la célula solar. Aquí describiremos brevemente el origen de la fotocorriente. La tasa de generación de portadores en unidad de volumen por unidad de tiempo (unidad m -3 s -1 ) está determinada por el coeficiente de absorción de luz, es decir

Entre ellos, α representa el coeficiente de absorción de luz, que es la intensidad de los fotones incidentes (o densidad de flujo de fotones), y R se refiere al coeficiente de reflexión, por lo que representa la intensidad de los fotones incidentes que no se reflejan. Los tres mecanismos principales que generan la fotocorriente son: la corriente de difusión de los electrones portadores minoritarios en la región de tipo p, la corriente de difusión de los huecos de los portadores minoritarios en la región de tipo n y la deriva de electrones y huecos en la región de carga espacial. actual. Por tanto, la fotocorriente se puede expresar aproximadamente como:

Entre ellos, Ln y Lp representan cada uno la longitud de difusión de los electrones en la región de tipo p y los huecos en la región de tipo n, y es el ancho de la región de carga espacial. Resumiendo estos resultados, obtenemos una expresión simple para el voltaje de circuito abierto:

donde Vrcc representa la tasa de recombinación de pares electrón-hueco por unidad de volumen. Por supuesto, este es un resultado natural, porque el voltaje del circuito abierto es igual a la diferencia de energía de Fermi entre electrones y huecos en la región de carga espacial, y la diferencia de energía de Fermi entre electrones y huecos está determinada por la tasa de generación de portadores y la tasa de recombinación. .