سلول های خورشیدی چگونه کار می کنند

سلول های خورشیدی نور خورشید را برای تولید عملکرد باتری های معمولی جذب می کند. اما برخلاف باتری‌های سنتی، ولتاژ خروجی و حداکثر توان خروجی باتری‌های سنتی ثابت است، در حالی که ولتاژ، جریان و توان خروجی سلول‌های خورشیدی به شرایط روشنایی و نقاط عملیاتی بار مربوط می‌شود. به همین دلیل، برای استفاده از سلول های خورشیدی برای تولید برق، باید رابطه جریان-ولتاژ و اصل کار سلول های خورشیدی را درک کنید.

نور طیفی نور خورشید:

منبع انرژی سلول های خورشیدی نور خورشید است، بنابراین شدت و طیف نور خورشید ورودی، جریان و ولتاژ خروجی سلول خورشیدی را تعیین می کند. می دانیم که وقتی جسمی زیر خورشید قرار می گیرد به دو صورت نور خورشید را دریافت می کند، یکی نور مستقیم خورشید و دیگری نور پراکنده خورشید پس از پراکنده شدن توسط اجسام دیگر روی سطح. در شرایط عادی، نور تابشی مستقیم حدود 80 درصد نور دریافتی توسط سلول خورشیدی را تشکیل می دهد. بنابراین، بحث بعدی ما روی قرار گرفتن مستقیم در معرض نور خورشید نیز متمرکز خواهد بود.

شدت و طیف نور خورشید را می توان با تابش طیف بیان کرد که توان نور در واحد طول موج در واحد سطح (W/㎡um) است. شدت نور خورشید (W/㎡) مجموع تمام طول موج های روشنایی طیف است. طیف نور خورشید به موقعیت اندازه گیری شده و زاویه خورشید نسبت به سطح زمین مربوط می شود. زیرا نور خورشید قبل از رسیدن به سطح زمین توسط جو جذب و پراکنده می شود. دو عامل موقعیت و زاویه به طور کلی با جرم هوا (AM) نشان داده می شوند. برای روشنایی خورشیدی، AMO به وضعیت فضای بیرونی زمانی که خورشید مستقیما می تابد اشاره دارد. شدت نور آن تقریباً 1353 W/㎡ است که تقریباً معادل منبع نور تولید شده توسط تابش جسم سیاه با دمای 5800K است. AMI به وضعیتی در سطح زمین اشاره دارد، زمانی که خورشید مستقیما می تابد، شدت نور حدود 925 W/m2 است. AMI.5 به وضعیتی در سطح زمین اشاره دارد که وقتی خورشید با زاویه 45 درجه برخورد می کند، شدت نور حدود 844 W/m2 است. AM 1.5 به طور کلی برای نشان دادن متوسط ​​روشنایی نور خورشید در سطح زمین استفاده می شود. مدل مدار سلول خورشیدی:

هنگامی که نور وجود ندارد، یک سلول خورشیدی مانند یک دیود اتصال pn رفتار می کند. رابطه جریان-ولتاژ یک دیود ایده آل را می توان به صورت بیان کرد

جایی که I نشان دهنده جریان است، V نشان دهنده ولتاژ، Is جریان اشباع، و VT=KBT/q0، جایی که KB نشان دهنده ثابت BoItzmann، q0 واحد بار الکتریکی و T دما است. در دمای اتاق، VT=0.026v. لازم به ذکر است که جهت جریان دیود Pn به گونه ای تعریف می شود که از نوع P به نوع n در دستگاه جاری شود و مقادیر مثبت و منفی ولتاژ به عنوان پتانسیل ترمینال نوع P تعریف می شود. منهای پتانسیل ترمینال نوع n. بنابراین، اگر این تعریف رعایت شود، زمانی که سلول خورشیدی کار می کند، مقدار ولتاژ آن مثبت، مقدار فعلی آن منفی و منحنی IV در ربع چهارم قرار دارد. در اینجا باید به خوانندگان یادآوری شود که به اصطلاح دیود ایده آل بر اساس بسیاری از شرایط فیزیکی است و دیودهای واقعی به طور طبیعی دارای برخی عوامل غیر ایده آل هستند که بر رابطه جریان و ولتاژ دستگاه تأثیر می گذارد، مانند جریان نوترکیبی تولید، در اینجا ما نخواهیم کرد. زیاد در موردش بحث نکن هنگامی که سلول خورشیدی در معرض نور قرار می گیرد، جریان نوری در دیود pn وجود خواهد داشت. از آنجایی که جهت میدان الکتریکی داخلی پیوند pn از نوع n به نوع p است، جفت‌های الکترون-حفره ایجاد شده توسط جذب فوتون‌ها به سمت انتهای نوع n حرکت می‌کنند، در حالی که سوراخ‌ها به سمت p حرکت می‌کنند. پایان نوع جریان نوری ایجاد شده توسط این دو از نوع n به نوع p جریان می یابد. به طور کلی، جهت جریان رو به جلو یک دیود به عنوان جریان از نوع p به نوع n تعریف می شود. به این ترتیب، در مقایسه با یک دیود ایده‌آل، جریان نوری تولید شده توسط یک سلول خورشیدی هنگام روشن شدن یک جریان منفی است. رابطه جریان و ولتاژ سلول خورشیدی دیود ایده‌آل به اضافه یک جریان نوری منفی IL است که بزرگی آن برابر است با:

به عبارت دیگر، وقتی نور وجود ندارد، IL=0، سلول خورشیدی فقط یک دیود معمولی است. هنگامی که سلول خورشیدی اتصال کوتاه دارد، یعنی V=0، جریان اتصال کوتاه Isc=-IL است. به این معنا که وقتی سلول خورشیدی اتصال کوتاه دارد، جریان اتصال کوتاه، جریان نوری است که توسط نور فرودی ایجاد می‌شود. اگر سلول خورشیدی مدار باز باشد، یعنی اگر I=0 باشد، ولتاژ مدار باز آن برابر است با:

شکل 2. مدار معادل سلول خورشیدی: (الف) بدون، (ب) با مقاومت های سری و شنت. در اینجا باید تاکید کرد که ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه دو پارامتر مهم از خصوصیات سلول خورشیدی هستند.

توان خروجی یک سلول خورشیدی حاصل ضرب جریان و ولتاژ است:

بدیهی است که توان خروجی توسط سلول خورشیدی یک مقدار ثابت نیست. در یک نقطه عملیاتی ولتاژ جریان به حداکثر مقدار می رسد و حداکثر توان خروجی Pmax را می توان با dp/dv=0 تعیین کرد. می توان نتیجه گرفت که ولتاژ خروجی در حداکثر توان خروجی Pmax برابر است با:

و جریان خروجی:

حداکثر توان خروجی سلول خورشیدی:

راندمان یک سلول خورشیدی به نسبت سلول خورشیدی اشاره دارد که پین ​​توان نور تابشی را به حداکثر توان الکتریکی خروجی تبدیل می کند، یعنی:

اندازه‌گیری‌های کلی بازده سلول خورشیدی از منبع نوری مشابه نور خورشید با پین=1000W/㎡ استفاده می‌کنند.

از نظر تجربی، رابطه جریان-ولتاژ سلول های خورشیدی به طور کامل از شرح نظری بالا پیروی نمی کند. زیرا خود دستگاه فتوولتائیک به اصطلاح دارای مقاومت سری و مقاومت شنت است. برای هر ماده نیمه هادی یا تماس بین نیمه هادی و فلز، ناگزیر مقاومت کمتر یا بیشتر وجود خواهد داشت که مقاومت سری دستگاه فتوولتائیک را تشکیل می دهد. از سوی دیگر، هر مسیر جریانی به غیر از دیود ایده آل Pn بین الکترودهای مثبت و منفی دستگاه فتوولتائیک باعث به اصطلاح جریان نشتی مانند جریان تولید-نوترکیبی در دستگاه می شود. ، جریان نوترکیب سطحی، جداسازی ناقص لبه دستگاه و اتصال نفوذ تماس فلزی.

معمولاً از مقاومت شنت برای تعریف جریان نشتی سلول های خورشیدی استفاده می کنیم، یعنی Rsh=V/Ileak. هر چه مقاومت شنت بزرگتر باشد، جریان نشتی کمتر است. اگر مقاومت مشترک Rs و مقاومت شنت Rsh را در نظر بگیریم، رابطه جریان-ولتاژ سلول خورشیدی را می توان به صورت زیر نوشت:

ما همچنین می توانیم تنها از یک پارامتر، به اصطلاح ضریب پر کردن، برای خلاصه کردن هر دو اثر مقاومت سری و مقاومت شنت استفاده کنیم. که تعریف میشود:

واضح است که در صورت عدم وجود مقاومت سری و مقاومت شنت بی نهایت (بدون جریان نشتی) ضریب پر حداکثر است. هر گونه افزایش مقاومت سری یا کاهش مقاومت شنت باعث کاهش ضریب پر می شود. به این ترتیب،. کارایی سلول های خورشیدی را می توان با سه پارامتر مهم بیان کرد: ولتاژ مدار باز Voc، جریان اتصال کوتاه Isc و ضریب پرکننده FF.

بدیهی است که برای بهبود راندمان یک سلول خورشیدی، باید همزمان ولتاژ مدار باز، جریان اتصال کوتاه (یعنی جریان نوری) و ضریب پر شدن (یعنی کاهش مقاومت سری و جریان نشتی) آن را افزایش داد.

ولتاژ مدار باز و جریان اتصال کوتاه: با قضاوت از فرمول قبلی، ولتاژ مدار باز سلول خورشیدی توسط جریان نوری و سلول اشباع تعیین می شود. از دیدگاه فیزیک نیمه هادی ها، ولتاژ مدار باز برابر با اختلاف انرژی فرمی بین الکترون ها و حفره های ناحیه بار فضایی است. در مورد جریان اشباع یک دیود ایده آل Pn، می توانید از موارد زیر استفاده کنید:

عنوان کردن. که در آن q0 نشان دهنده بار واحد است، ni نشان دهنده غلظت حامل ذاتی نیمه هادی، ND و NA هر کدام غلظت دهنده و گیرنده، Dn و Dp هر کدام نشان دهنده ضریب انتشار الکترون ها و حفره ها هستند، عبارت فوق با فرض n است. - حالتی که هم ناحیه نوع و هم ناحیه نوع p هر دو پهن باشند. به طور کلی، برای سلول های خورشیدی که از بسترهای نوع p استفاده می کنند، ناحیه نوع n بسیار کم عمق است و عبارت فوق نیاز به اصلاح دارد.

قبلاً اشاره کردیم که وقتی یک سلول خورشیدی روشن می شود، یک جریان نوری ایجاد می شود و جریان نوری جریان مدار بسته در رابطه جریان-ولتاژ سلول خورشیدی است. در اینجا به طور مختصر منشا جریان نوری را توضیح خواهیم داد. نرخ تولید حامل ها در واحد حجم در واحد زمان (واحد m -3 s -1) با ضریب جذب نور تعیین می شود.

در میان آنها α نشان دهنده ضریب جذب نور است که شدت فوتون های فرودی (یا چگالی شار فوتون) است و R به ضریب بازتاب اشاره دارد، بنابراین نشان دهنده شدت فوتون های فرودی است که منعکس نمی شوند. سه مکانیسم اصلی که جریان نوری تولید می‌کنند عبارتند از: جریان انتشار الکترون‌های حامل اقلیتی در ناحیه نوع p، جریان انتشار حفره‌های حامل اقلیتی در ناحیه نوع n و رانش الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه بار فضایی. جاری. بنابراین، جریان نوری را می توان تقریباً به صورت زیر بیان کرد:

در میان آنها، Ln و Lp هر کدام نشان دهنده طول انتشار الکترون ها در ناحیه نوع p و حفره ها در ناحیه نوع n هستند و عرض ناحیه بار فضایی است. با خلاصه کردن این نتایج، یک عبارت ساده برای ولتاژ مدار باز دریافت می کنیم:

که در آن Vrcc نشان دهنده نرخ نوترکیبی جفت الکترون-حفره در واحد حجم است. البته این یک نتیجه طبیعی است، زیرا ولتاژ مدار باز برابر با اختلاف انرژی فرمی بین الکترون ها و حفره ها در ناحیه بار فضایی است و تفاوت انرژی فرمی بین الکترون ها و حفره ها با نرخ تولید حامل و نرخ نوترکیبی تعیین می شود. .