Nola funtzionatzen duten eguzki-zelulak

Eguzki-zelulak eguzki-argia xurgatu bateria arrunten funtzioak sortzeko. Baina ohiko bateriak ez bezala, ohiko pilen irteerako tentsioa eta irteerako potentzia maximoa finkoak dira, eta eguzki-zelulen irteerako tentsioa, korrontea eta potentzia argiztapen baldintzekin eta karga-funtzio-puntuekin erlazionatuta daude. Hori dela eta, eguzki-zelulak elektrizitatea sortzeko, eguzki-zelulen korronte-tentsio erlazioa eta funtzionamendu-printzipioa ulertu behar dituzu.

Eguzkiaren argiztapen espektrala:

Eguzki-zelulen energia iturria eguzki-argia da, beraz, eguzki-argiaren intentsitateak eta espektroak eguzki-zelularen korronte eta tentsio-irteera zehazten dute. Badakigu objektu bat eguzkiaren azpian jartzen denean eguzki-argia bi modutara jasotzen duela, bata eguzki-argia zuzena dela, eta bestea, gainazaleko beste objektu batzuek sakabanatu ondoren, eguzki-argia lausoa dela. Egoera normaletan, zuzeneko argi intzidenteak eguzki-zelulak jasotzen duen argiaren %80 inguru hartzen du. Hori dela eta, gure hurrengo eztabaida eguzki-argiaren zuzeneko esposizioan ere zentratuko da.

Eguzki-argiaren intentsitatea eta espektroa espektro-irradiantziaren bidez adieraz daitezke, hau da, azalera-unitateko uhin-luzera unitateko argi-potentzia (W/㎡um). Eguzki-argiaren intentsitatea (W/㎡) espektroaren argiztapenaren uhin-luzera guztien batura da. Eguzki-argiaren espektroaren argiztapena neurtutako posizioarekin eta eguzkiaren angeluarekin erlazionatuta dago lurrazalearekiko. Hau da, eguzki-argia atmosferak xurgatu eta sakabanatu egingo duelako lurrazalera iritsi baino lehen. Posizioaren eta angeluaren bi faktoreak, oro har, aire-masa (AM) deritzonak adierazten ditu. Eguzki-argiztapenerako, AMOk kanpoko espazioan dagoen egoerari egiten dio erreferentzia eguzkia zuzenean distira egiten duenean. Bere argi-intentsitatea 1353 W/㎡ da gutxi gorabehera, hau da, gutxi gorabehera 5800K-ko tenperatura duen gorputz beltzaren erradiazioek sortutako argi-iturriaren baliokidea. AMI Lurraren gainazaleko egoerari egiten dio erreferentzia, eguzkia zuzenean argitzen denean, argiaren intentsitatea 925 W/m2 ingurukoa da. AMI.5 lurraren gainazaleko egoerari egiten dio erreferentzia, eguzkia 45 graduko angeluan gertatzen denean, argiaren intentsitatea 844 W/m2 ingurukoa da. AM 1,5, oro har, lurraren gainazaleko eguzki-argiaren batez besteko argiztapena adierazteko erabiltzen da. Eguzki-zelulen zirkuitu eredua:

Argirik ez dagoenean, eguzki-zelula batek pn lotuneko diodo baten antzera jokatzen du. Diodo ideal baten korronte-tentsio erlazioa honela adieraz daiteke

I korrontea adierazten duen tokian, V tentsioa, Is saturazio-korrontea eta VT=KBT/q0, non KB BoItzmann-en konstantea, q0 karga elektriko unitatea eta T tenperatura. Giro-tenperaturan, VT=0,026v. Kontuan izan behar da Pn diodoaren korrontearen norabidea gailuan P motatik n motara igarotzeko definitzen dela, eta tentsioaren balio positiboak eta negatiboak P motako terminal potentzial gisa definitzen direla. ken n motako terminal potentziala. Beraz, definizio hori jarraitzen bada, eguzki-zelula lanean ari denean, bere tentsio-balioa positiboa da, bere korronte-balioa negatiboa da eta IV kurba laugarren koadrantean dago. Irakurleei gogorarazi behar zaie hemen diodo ideala deritzona baldintza fisiko askotan oinarritzen dela, eta benetako diodoek gailuaren korronte-tentsio erlazioan eragina duten faktore ez-ideal batzuk izango dituztela, hala nola, sorkuntza-birkonbinazio korrontea, hemen izango dugu. ez eztabaidatu asko. Eguzki-zelula argiaren eraginpean dagoenean, fotokorrontea egongo da pn diodoan. Pn junturaren eremu elektrikoaren norabidea n motatik p motara denez, fotoien xurgapenaren ondorioz sortutako elektroi-zulo bikoteak n motako muturreraino joango dira, zuloak, berriz, p. -mota amaiera. Biek osatutako fotokorrontea n motatik p motara igaroko da. Orokorrean, diodo baten aurrerako korrontearen norabidea p motatik n motara igarotzen dela definitzen da. Modu honetan, diodo ideal batekin alderatuta, eguzki-zelula batek argiztatzean sortzen duen fotokorrontea korronte negatiboa da. Eguzki-zelularen korronte-tentsio erlazioa diodo ideala gehi IL fotokorronte negatiboa da, zeinaren magnitudea hau da:

Beste era batera esanda, argirik ez dagoenean, IL=0, eguzki-zelula diodo arrunt bat besterik ez da. Eguzki-zelula zirkuitulaburra dagoenean, hau da, V=0, zirkuitulabur-korrontea Isc=-IL da. Hau da, eguzki-zelula zirkuitulaburra dagoenean, zirkuitulabur-korrontea argi intzidenteak sortzen duen fotokorrontea da. Eguzki-zelula zirkuitu irekia bada, hau da, I=0 bada, bere zirkuitu irekiko tentsioa hau da:

2. Irudia. Eguzki-zelularen zirkuitu baliokidea: (a) gabe, (b) serieko eta shunt-erresistentziak dituztenak. Hemen azpimarratu behar da zirkuitu irekiko tentsioa eta zirkuitu laburreko korrontea eguzki-zelulen ezaugarrien bi parametro garrantzitsu direla.

Eguzki-zelula baten potentzia korrontearen eta tentsioaren arteko biderkadura da:

Jakina, eguzki-zelularen potentzia ez da balio finkoa. Korronte-tentsioko funtzionamendu-puntu jakin batean balio maximora iristen da, eta irteera-potentzia maximoa Pmax dp/dv=0 bidez zehaztu daiteke. Pmax irteerako potentzia maximoan irteerako tentsioa hau dela ondoriozta dezakegu:

eta irteerako korrontea hau da:

Eguzki-zelularen irteera-potentzia maximoa hau da:

Eguzki-zelula baten eraginkortasuna eguzki-zelulak argi intzidentearen Pin-a irteerako potentzia elektriko maximoan bihurtzen duen proportzioari dagokio, hau da:

Eguzki-zelulen eraginkortasun-neurketa orokorrak eguzki-argiaren antzeko argi-iturri bat erabiltzen du pin=1000W/㎡ duena.

Esperimentalki, eguzki-zelulen korronte-tentsio erlazioak ez du guztiz jarraitzen goiko deskribapen teorikoa. Hau da gailu fotovoltaikoak berak serie-erresistentzia eta shunt-erresistentzia deritzona duelako. Edozein material erdieroale, edo erdieroale baten eta metal baten arteko kontaktuan, ezinbestean erresistentzia handiagoa edo txikiagoa izango da, eta horrek gailu fotovoltaikoaren serieko erresistentzia osatuko du. Bestalde, gailu fotovoltaikoko elektrodo positiboen eta negatiboen arteko Pn diodo ideala ez den edozein korronte-bidek ihes-korrontea deritzona eragingo du, hala nola gailuan sorkuntza-birkonbinazio-korrontea. , gainazaleko birkonbinazio korrontea, gailuaren ertz-isolamendu osatugabea eta metalezko kontaktuaren sartze-juntura.

Normalean, shunt-erresistentzia erabiltzen dugu eguzki-zelulen ihes-korrontea definitzeko, hau da, Rsh=V/Ileak. Zenbat eta shunt-erresistentzia handiagoa izan, orduan eta txikiagoa da ihes-korrontea. Rs elkarrekintza erresistentzia eta Rsh shunt erresistentzia kontuan hartzen baditugu, eguzki-zelularen korronte-tentsio erlazioa honela idatz daiteke:

Parametro bakarra ere erabil dezakegu, betetze-faktorea deritzona, serie-erresistentziaren eta shunt-erresistentziaren ondorioak laburbiltzeko. honela definitu:

Begi-bistakoa da betetze-faktorea maximoa dela serieko erresistentziarik ez badago eta shunt-erresistentzia infinitua bada (ihes-korronterik ez). Serieko erresistentzia handitzeak edo shunt erresistentzia gutxitzeak betetze-faktorea murriztuko du. Bide honetatik,. Eguzki-zelulen eraginkortasuna hiru parametro garrantzitsuren bidez adieraz daiteke: zirkuitu irekiko tentsioa Voc, zirkuitu laburreko korronte Isc eta betetze-faktorea FF.

Jakina, eguzki-zelula baten eraginkortasuna hobetzeko, beharrezkoa da zirkuitu irekiko tentsioa, zirkuitu laburreko korrontea (hau da, fotokorrontea) eta betetze-faktorea (hau da, serieko erresistentzia eta ihes-korrontea murriztea) areagotzea.

Zirkuitu irekiko tentsioa eta zirkuitu laburreko korrontea: aurreko formulatik ikusita, eguzki-zelularen zirkuitu irekiko tentsioa fotokorrontearen eta zelula asearen arabera zehazten da. Erdieroaleen fisikaren ikuspuntutik, zirkuitu irekiko tentsioa espazio-karga-eskualdeko elektroien eta zuloen arteko Fermi energia-diferentziaren berdina da. Pn diodo ideal baten saturazio-korronteari dagokionez, erabil dezakezu:

adierazteko. non q0 karga unitatea adierazten du, ni erdieroalearen berezko eramailearen kontzentrazioa adierazten du, ND eta NA bakoitzak emailearen eta hartzailearen kontzentrazioa adierazten du, Dn eta Dp bakoitzak elektroien eta zuloen difusio-koefizientea adierazten du, goiko adierazpenak n suposatzen du. - Mota eskualdea eta p motako eskualdea biak zabalak diren kasua. Orokorrean, p motako substratuak erabiltzen dituzten eguzki-zeluletarako, n motako eremua oso azalekoa da, eta goiko adierazpena aldatu behar da.

Lehen aipatu dugu eguzki-zelula argiztatzean fotokorronte bat sortzen dela eta fotokorrontea zirkuitu itxiko korrontea dela eguzki-zelularen korronte-tentsio erlazioan. Hemen laburki deskribatuko dugu fotokorrontearen jatorria. Eramaileen sorrera-tasa denbora-unitateko bolumen-unitatean (m -3 s -1 unitatea) argia xurgatzeko koefizienteak zehazten du, hau da.

Horien artean, α-k argia xurgatzeko koefizientea adierazten du, hau da, fotoi intzidenteen intentsitatea (edo fotoien fluxu-dentsitatea), eta R islapen-koefizienteari, beraz, islatzen ez diren fotoi intzidenteen intentsitatea adierazten du. Fotokorrontea sortzen duten hiru mekanismo nagusiak hauek dira: p motako eskualdeko elektroi garraiatzaile gutxituen difusio-korrontea, n motako zulo-eramaile gutxituen difusio-korrontea eta espazio-kargaren eskualdeko elektroien eta zuloen noraeza. korronte. Beraz, fotokorrontea gutxi gorabehera honela adieraz daiteke:

Horien artean, Ln eta Lp bakoitzak elektroien difusio-luzera adierazten du p motako eskualdean eta zuloak n motako eskualdean, eta espazio-kargaren eskualdearen zabalera da. Emaitza hauek laburbilduz, zirkuitu irekiko tentsioaren adierazpen sinple bat lortuko dugu:

non Vrcc elektroi-zulo bikoteen birkonbinazio-abiadura adierazten duen bolumen unitateko. Jakina, emaitza naturala da, zirkuitu irekiko tentsioa espazioko karga-eskualdeko elektroien eta zuloen arteko Fermi energia-diferentziaren berdina delako, eta elektroien eta zuloen arteko Fermi-ren energia-aldea eramailearen sorkuntza-tasa eta birkonbinazio-abiaduraren arabera zehazten da. .