Kuidas päikesepatareid töötavad

Päikesepatareid neelavad päikesevalgust, et täita tavaliste akude funktsioone. Kuid erinevalt traditsioonilistest akudest on traditsiooniliste akude väljundpinge ja maksimaalne väljundvõimsus fikseeritud, samas kui päikesepatareide väljundpinge, vool ja võimsus on seotud valgustingimuste ja koormuse tööpunktidega. Seetõttu peate päikesepatareide kasutamiseks elektri tootmiseks mõistma päikesepatareide voolu ja pinge suhet ning tööpõhimõtet.

Päikesevalguse spektraalne valgustus:

Päikesepatareide energiaallikaks on päikesevalgus, mistõttu langeva päikesevalguse intensiivsus ja spekter määravad päikesepatarei väljundvoolu ja pinge. Teame, et kui objekt asetatakse päikese alla, saab see päikesevalgust kahel viisil, üks on otsene päikesevalgus ja teine ​​hajus päikesevalgus pärast seda, kui teised objektid pinnale on hajutatud. Tavaolukorras moodustab otse langev valgus umbes 80% päikesepatarei vastuvõetavast valgusest. Seetõttu keskendub meie järgnev arutelu ka otsesele päikesevalgusele.

Päikesevalguse intensiivsust ja spektrit saab väljendada spektri kiirgustihedusega, mis on valguse võimsus lainepikkuse ühiku kohta pindalaühiku kohta (W/㎡um). Päikesevalguse intensiivsus (W/㎡) on spektrivalgustuse kõigi lainepikkuste summa. Päikesevalguse spektrivalgustus on seotud mõõdetud asukoha ja päikese nurgaga maapinna suhtes. Seda seetõttu, et päikesevalgus neeldub ja hajutab atmosfääri enne maapinnale jõudmist. Asendi ja nurga kahte tegurit esindab üldiselt nn õhumass (AM). Päikesevalgustuse puhul viitab AMO olukorrale avakosmoses, kui päike paistab otse. Selle valguse intensiivsus on ligikaudu 1353 W/㎡, mis on ligikaudu võrdne musta keha kiirguse tekitatud valgusallikaga temperatuuriga 5800 K. AMI viitab olukorrale maapinnal, kui päike paistab otse, on valguse intensiivsus umbes 925 W/m2. AMI.5 viitab olukorrale maapinnal, kui päike langeb 45 kraadise nurga all, on valguse intensiivsus umbes 844 W/m2. AM 1.5 kasutatakse tavaliselt päikesevalguse keskmise valgustatuse tähistamiseks maapinnal. Päikesepatarei vooluahela mudel:

Kui valgust pole, käitub päikesepatarei pn-siirdedioodina. Ideaalse dioodi voolu-pinge suhet saab väljendada järgmiselt

Kus I tähistab voolu, V tähistab pinget, Is on küllastusvool ja VT=KBT/q0, kus KB tähistab BoItzmanni konstanti, q0 on ühikuline elektrilaeng ja T on temperatuur. Toatemperatuuril VT=0,026v. Tuleb märkida, et Pn-dioodi voolu suund on defineeritud nii, et see voolab seadmes P-tüübist n-tüüpi ning pinge positiivsed ja negatiivsed väärtused on määratletud P-tüüpi klemmipotentsiaalina. miinus n-tüüpi terminali potentsiaal. Seega, kui järgida seda määratlust, on päikesepatarei töötamise ajal selle pinge väärtus positiivne, voolu väärtus negatiivne ja IV kõver on neljandas kvadrandis. Siinkohal tuleb lugejatele meelde tuletada, et nn ideaalne diood põhineb paljudel füüsilistel tingimustel ja tegelikel dioodidel on loomulikult mõned mitteideaalsed tegurid, mis mõjutavad seadme voolu ja pinge suhet, näiteks generatsiooni-rekombinatsiooni vool. ära aruta seda palju. Kui päikesepatarei puutub kokku valgusega, tekib pn-dioodis fotovool. Kuna pn-siirde sisseehitatud elektrivälja suund on n-tüübist p-tüüpi, jooksevad footonite neeldumisel tekkivad elektron-augu paarid n-tüüpi otsa poole, augud aga p-tüüpi suunas. -tüüpi ots. Nende kahe moodustatud fotovool voolab n-tüübist p-tüüpi. Üldiselt määratletakse dioodi pärivoolu suund p-tüübist n-tüüpi. Nii on ideaalse dioodiga võrreldes päikesepatarei valgustamisel tekitatav fotovool negatiivne. Päikesepatarei voolu-pinge suhe on ideaalne diood pluss negatiivne fotovool IL, mille suurus on:

Teisisõnu, kui valgust pole, IL=0, on päikesepatarei tavaline diood. Kui päikesepatarei on lühises, st V=0, on lühisvool Isc=-IL. See tähendab, et kui päikesepatarei on lühises, on lühisvooluks langeva valguse tekitatud fotovool. Kui päikesepatarei on avatud vooluringiga, st kui I = 0, on selle avatud ahela pinge:

Joonis 2. Päikesepatarei ekvivalentskeem: (a) ilma, (b) jada- ja šunttakistitega. Siinkohal tuleb rõhutada, et avatud vooluahela pinge ja lühisevool on kaks olulist päikesepatarei omaduste parameetrit.

Päikesepatarei väljundvõimsus on voolu ja pinge korrutis:

Ilmselgelt ei ole päikesepatarei väljundvõimsus fikseeritud väärtus. See saavutab maksimumväärtuse teatud voolu-pinge tööpunktis ja maksimaalset väljundvõimsust Pmax saab määrata väärtusega dp/dv=0. Me võime järeldada, et väljundpinge maksimaalse väljundvõimsuse Pmax juures on:

ja väljundvool on:

Päikesepatarei maksimaalne väljundvõimsus on:

Päikesepatarei kasutegur viitab päikesepatarei suhtele, mis muundab langeva valguse võimsuse Pin maksimaalseks väljundvõimsuseks, see tähendab:

Päikesepatareide üldiste tõhususe mõõtmiseks kasutatakse päikesevalgusele sarnast valgusallikat pin = 1000 W/㎡.

Eksperimentaalselt ei järgi päikesepatareide voolu-pinge suhe täielikult ülaltoodud teoreetilist kirjeldust. Seda seetõttu, et fotogalvaanilisel seadmel endal on nn jadatakistus ja šunditakistus. Mis tahes pooljuhtmaterjali või pooljuhi ja metalli vahelise kokkupuute korral tekib paratamatult suurem või väiksem takistus, mis moodustab fotogalvaanilise seadme jadatakistuse. Teisest küljest põhjustab igasugune voolutee, välja arvatud ideaalne Pn-diood fotogalvaanilise seadme positiivse ja negatiivse elektroodi vahel, nn lekkevoolu, näiteks generatsiooni-rekombinatsiooni voolu seadmes. , pinna rekombinatsioonivool, seadme mittetäielik servaisolatsioon ja metallist kontakti läbitungimiskoht.

Tavaliselt kasutame päikesepatareide lekkevoolu määratlemiseks šundi takistust, st Rsh=V/Ileak. Mida suurem on šundi takistus, seda väiksem on lekkevool. Kui arvestada liigesetakistust Rs ja šunditakistust Rsh, saab päikesepatarei voolu-pinge suhte kirjutada järgmiselt:

Samuti saame kasutada ainult ühte parameetrit, nn täitetegurit, et võtta kokku nii jadatakistuse kui ka šunditakistuse mõju. defineeritud kui:

On ilmne, et täitmistegur on maksimaalne, kui jadatakistit pole ja šunditakistus on lõpmatu (lekkevool puudub). Mis tahes järjestikuse takistuse suurenemine või šundi takistuse vähenemine vähendab täitetegurit. Sellel viisil,. Päikesepatareide efektiivsust saab väljendada kolme olulise parameetriga: avatud vooluahela pinge Voc, lühisevool Isc ja täitefaktor FF.

Ilmselt on päikesepatarei efektiivsuse parandamiseks vaja samaaegselt suurendada selle avatud vooluahela pinget, lühisvoolu (st fotovoolu) ja täitetegurit (see tähendab, et vähendada jadatakistust ja lekkevoolu).

Lahtise ahela pinge ja lühise vool: Eelnevast valemist otsustades määrab päikesepatarei avatud ahela pinge fotovoolu ja küllastunud elemendi järgi. Pooljuhtide füüsika vaatenurgast on avatud ahela pinge võrdne Fermi energia erinevusega elektronide ja aukude vahel ruumi laengu piirkonnas. Ideaalse Pn-dioodi küllastusvoolu osas võite kasutada:

väljendada. kus q0 tähistab ühiklaengu, ni tähistab pooljuhi sisemise kandja kontsentratsiooni, ND ja NA tähistavad kumbki doonori ja aktseptori kontsentratsiooni, Dn ja Dp kumbki tähistavad elektronide ja aukude difusioonikoefitsienti, ülaltoodud avaldis eeldab n - Juhtum, kus nii tüübipiirkond kui ka p-tüüpi piirkond on mõlemad laiad. Üldiselt on p-tüüpi substraate kasutavate päikesepatareide puhul n-tüüpi ala väga madal ja ülaltoodud väljendit tuleb muuta.

Varem mainisime, et päikesepatarei valgustamisel tekib fotovool ja fotovool on päikesepatarei voolu-pinge suhtes suletud vooluahela vool. Siin kirjeldame lühidalt fotovoolu päritolu. Kandjate genereerimiskiirus mahuühikus ajaühikus (ühik m -3 s -1 ) määratakse valguse neeldumisteguriga, st.

Nende hulgas tähistab α valguse neeldumiskoefitsienti, mis on langevate footonite intensiivsus (või footoni voo tihedus), ja R tähistab peegeldustegurit, seega tähistab see langevate footonite intensiivsust, mis ei peegeldu. Kolm peamist fotovoolu tekitavat mehhanismi on: p-tüüpi piirkonna vähemuskandeelektronide difusioonivool, n-tüüpi piirkonna vähemuskandeavade difusioonivool ning elektronide ja aukude triiv ruumilaengu piirkonnas. praegune. Seetõttu saab fotovoolu ligikaudu väljendada järgmiselt:

Nende hulgas tähistavad Ln ja Lp igaüks elektronide difusiooni pikkust p-tüüpi piirkonnas ja auke n-tüüpi piirkonnas ning on ruumi laengu piirkonna laius. Neid tulemusi kokku võttes saame avatud ahela pinge jaoks lihtsa avaldise:

kus Vrcc tähistab elektron-augu paaride rekombinatsioonikiirust ruumalaühiku kohta. Loomulikult on see loomulik tulemus, sest avatud ahela pinge võrdub Fermi energia erinevusega elektronide ja aukude vahel ruumilaengu piirkonnas ning Fermi energia erinevus elektronide ja aukude vahel on määratud kandja genereerimise kiiruse ja rekombinatsiooni kiirusega. .