Kuinka aurinkokennot toimivat

Aurinkokennot imevät auringonvaloa tuottaakseen tavallisten akkujen toimintoja. Mutta toisin kuin perinteisissä akuissa, perinteisten akkujen lähtöjännite ja maksimilähtöteho ovat kiinteät, kun taas aurinkokennojen lähtöjännite, virta ja teho liittyvät valaistusolosuhteisiin ja kuormituksen toimintapisteisiin. Tämän vuoksi aurinkokennojen käyttäminen sähkön tuottamiseen edellyttää aurinkokennojen virran ja jännitteen suhdetta ja toimintaperiaatetta.

Auringonvalon spektraalinen valaistus:

Aurinkokennojen energialähde on auringonvalo, joten tulevan auringonvalon intensiteetti ja spektri määräävät aurinkokennon tuottaman virran ja jännitteen. Tiedämme, että kun esine asetetaan auringon alle, se vastaanottaa auringonvaloa kahdella tavalla, toinen on suoraa auringonvaloa ja toinen on hajaa auringonvaloa sen jälkeen, kun muut pinnalla olevat esineet ovat hajottaneet sen. Normaalioloissa suoran tulevan valon osuus aurinkokennon vastaanottamasta valosta on noin 80 %. Siksi seuraava keskustelumme keskittyy myös suoraan altistumiseen auringonvalolle.

Auringonvalon intensiteetti ja spektri voidaan ilmaista spektrin irradianssilla, joka on valoteho aallonpituusyksikköä kohden pinta-alayksikköä kohti (W/㎡um). Auringonvalon intensiteetti (W/㎡) on spektrivalaistuksen kaikkien aallonpituuksien summa. Auringonvalon spektrivalaistus liittyy mitattuun sijaintiin ja auringon kulmaan suhteessa maan pintaan. Tämä johtuu siitä, että auringonvalo imeytyy ja hajoaa ilmakehässä ennen kuin se saavuttaa maanpinnan. Asennon ja kulman kahta tekijää edustaa yleensä niin kutsuttu ilmamassa (AM). Aurinkovalaistuksessa AMO tarkoittaa tilannetta ulkoavaruudessa, kun aurinko paistaa suoraan. Sen valon intensiteetti on noin 1353 W/㎡, mikä vastaa suunnilleen 5800K:n lämpötilan mustan kappaleen säteilyn tuottamaa valonlähdettä. AMI tarkoittaa tilannetta maanpinnalla, kun aurinko paistaa suoraan, valon voimakkuus on noin 925 W/m2. AMI.5 tarkoittaa tilannetta maanpinnalla, kun aurinko laskeutuu 45 asteen kulmassa, valon voimakkuus on noin 844 W/m2. AM 1.5:tä käytetään yleensä kuvaamaan auringonvalon keskimääräistä valaistusta maan pinnalla. Aurinkokennopiirimalli:

Kun valoa ei ole, aurinkokenno käyttäytyy kuin pn-liitosdiodi. Ihanteellisen diodin virta-jännite-suhde voidaan ilmaista seuraavasti

Missä I edustaa virtaa, V edustaa jännitettä, Is on kyllästysvirta ja VT=KBT/q0, missä KB edustaa BoItzmannin vakiota, q0 on yksikkösähkövaraus ja T on lämpötila. Huoneenlämmössä VT = 0,026v. On huomattava, että Pn-diodin virran suunta on määritelty laitteessa virtaamaan P-tyypistä n-tyyppiin ja jännitteen positiiviset ja negatiiviset arvot määritellään P-tyypin liitinpotentiaaliksi. miinus n-tyypin päätepotentiaali. Siksi, jos tätä määritelmää noudatetaan, aurinkokenno toimii, sen jännitearvo on positiivinen, sen virta-arvo on negatiivinen ja IV-käyrä on neljännessä kvadrantissa. Tässä yhteydessä on muistutettava lukijoita siitä, että ns. ihanteellinen diodi perustuu moniin fysikaalisiin olosuhteisiin ja todellisissa diodeissa on luonnollisesti joitain ei-ideaalisia tekijöitä, jotka vaikuttavat laitteen virran ja jännitteen suhteeseen, kuten sukupolvi-rekombinaatiovirta. älä keskustele siitä paljon. Kun aurinkokenno altistetaan valolle, pn-diodissa on valovirta. Koska pn-liitoksen sisäänrakennettu sähkökentän suunta on n-tyypistä p-tyyppiin, fotonien absorption synnyttämät elektroni-reikä-parit kulkevat kohti n-tyypin päätä, kun taas reiät kulkevat kohti p-tyyppiä. -tyyppinen loppu. Näiden kahden muodostama valovirta virtaa n-tyypistä p-tyyppiin. Yleensä diodin myötävirran suunta määritellään virtaavaksi p-tyypistä n-tyyppiin. Tällä tavalla ideaalidiodiin verrattuna aurinkokennon synnyttämä valovirta valaistuna on negatiivista virtaa. Aurinkokennon virran ja jännitteen suhde on ihanteellinen diodi plus negatiivinen valovirta IL, jonka suuruus on:

Toisin sanoen, kun valoa ei ole, IL=0, aurinkokenno on vain tavallinen diodi. Kun aurinkokenno on oikosulussa, eli V=0, oikosulkuvirta on Isc=-IL. Toisin sanoen, kun aurinkokenno on oikosulussa, oikosulkuvirta on tulevan valon tuottama valovirta. Jos aurinkokenno on avoin piiri, eli jos I=0, sen avoimen piirin jännite on:

Kuva 2. Aurinkokennon ekvivalenttikytkentä: (a) ilman, (b) sarja- ja shunttivastuksilla. Tässä on korostettava, että avoimen piirin jännite ja oikosulkuvirta ovat kaksi tärkeää aurinkokennojen ominaisuuksien parametria.

Aurinkokennon teho on virran ja jännitteen tulo:

On selvää, että aurinkokennon teho ei ole kiinteä arvo. Se saavuttaa maksimiarvon tietyssä virta-jännite toimintapisteessä ja suurin lähtöteho Pmax voidaan määrittää arvolla dp/dv=0. Voimme päätellä, että lähtöjännite suurimmalla lähtöteholla Pmax on:

ja lähtövirta on:

Aurinkokennon suurin lähtöteho on:

Aurinkokennon hyötysuhteella tarkoitetaan suhdetta, jossa aurinkokenno muuntaa tulevan valon tehon Pin maksimilähtösähkötehoksi, eli:

Yleisissä aurinkokennojen tehokkuusmittauksissa käytetään auringonvalon kaltaista valonlähdettä pin = 1000W/㎡.

Kokeellisesti aurinkokennojen virran ja jännitteen suhde ei täysin noudata yllä olevaa teoreettista kuvausta. Tämä johtuu siitä, että itse aurinkosähkölaitteella on ns. sarjaresistanssi ja shunttivastus. Minkä tahansa puolijohdemateriaalin tai puolijohteen ja metallin välisen kosketuksen kohdalla on väistämättä suurempi tai pienempi vastus, joka muodostaa aurinkosähkölaitteen sarjaresistanssin. Toisaalta mikä tahansa muu virtatie kuin ihanteellinen Pn-diodi aurinkosähkölaitteen positiivisten ja negatiivisten elektrodien välillä aiheuttaa ns. vuotovirran, kuten laitteen generointi-rekombinaatiovirran. , pinnan rekombinaatiovirta, laitteen epätäydellinen reunaeristys ja metallikontaktiläpäisyliitos.

Yleensä käytämme shunttiresistanssia määrittämään aurinkokennojen vuotovirta, eli Rsh=V/Ileak. Mitä suurempi shunttiresistanssi on, sitä pienempi on vuotovirta. Jos otamme huomioon liitoksen resistanssin Rs ja shunttiresistanssin Rsh, aurinkokennon virta-jännite-suhde voidaan kirjoittaa seuraavasti:

Voimme myös käyttää vain yhtä parametria, ns. täyttötekijää, tiivistämään sekä sarjaresistanssin että shunttivastuksen vaikutukset. määritelty:

On selvää, että täyttökerroin on suurin, jos sarjavastusta ei ole ja shunttiresistanssi on ääretön (ei vuotovirtaa). Sarjavastuksen lisäys tai shunttivastuksen pieneneminen vähentää täyttökerrointa. Tällä tavalla,. Aurinkokennojen hyötysuhde voidaan ilmaista kolmella tärkeällä parametrilla: avoimen piirin jännite Voc, oikosulkuvirta Isc ja täyttökerroin FF.

On selvää, että aurinkokennon tehokkuuden parantamiseksi on välttämätöntä samanaikaisesti lisätä sen avoimen piirin jännitettä, oikosulkuvirtaa (eli valovirtaa) ja täyttökerrointa (eli vähentää sarjaresistanssia ja vuotovirtaa).

Avopiirin jännite ja oikosulkuvirta: Edellisestä kaavasta päätellen aurinkokennon avoimen piirin jännitteen määrää valovirta ja kyllästetty kenno. Puolijohdefysiikan näkökulmasta avoimen piirin jännite on yhtä suuri kuin Fermin energia-ero elektronien ja aukkojen välillä tilavarausalueella. Mitä tulee ihanteellisen Pn-diodin kyllästysvirtaan, voit käyttää:

ilmaista. missä q0 edustaa yksikkövarausta, ni edustaa puolijohteen sisäistä kantajakonsentraatiota, ND ja NA kumpikin edustavat luovuttajan ja vastaanottajan pitoisuutta, Dn ja Dp kumpikin edustavat elektronien ja reikien diffuusiokerrointa, yllä oleva lauseke on oletettu n - Tapaus, jossa sekä tyyppialue että p-tyypin alue ovat molemmat leveitä. Yleensä p-tyypin substraatteja käyttäville aurinkokennoille n-tyypin alue on hyvin matala, ja yllä olevaa ilmaisua on muutettava.

Mainitsimme aiemmin, että kun aurinkokennoa valaistaan, syntyy valovirta, ja valovirta on aurinkokennon virta-jännite-suhteessa oleva suljetun piirin virta. Tässä kuvataan lyhyesti valovirran alkuperää. Kantoaaltojen tuottonopeus tilavuusyksikkönä aikayksikköä kohti (yksikkö m -3 s -1 ) määräytyy valon absorptiokertoimella, joka on

Niiden joukossa α edustaa valon absorptiokerrointa, joka on tulevan fotonien intensiteetti (tai fotonivuon tiheys), ja R viittaa heijastuskertoimeen, joten se edustaa tulevien fotonien intensiteettiä, jotka eivät heijastu. Kolme päämekanismia, jotka synnyttävät valovirtaa, ovat: vähemmistön kantoaaltoelektronien diffuusiovirta p-tyypin alueella, vähemmistökantoaaltoreikkien diffuusiovirta n-tyypin alueella ja elektronien ja reikien drift avaruusvarausalueella. nykyinen. Siksi valovirta voidaan ilmaista likimäärin seuraavasti:

Niistä Ln ja Lp edustavat kumpikin elektronien diffuusiopituutta p-tyypin alueella ja reikiä n-tyypin alueella ja ovat avaruusvarausalueen leveys. Yhteenvetona näistä tuloksista saadaan yksinkertainen lauseke avoimen piirin jännitteelle:

jossa Vrcc edustaa elektroni-reikäparien rekombinaationopeutta tilavuusyksikköä kohti. Tämä on tietysti luonnollinen tulos, koska avoimen piirin jännite on yhtä suuri kuin Fermi-energiaero elektronien ja aukkojen välillä avaruusvarausalueella, ja Fermin energia-ero elektronien ja reikien välillä määräytyy kantoaallon generointinopeuden ja rekombinaationopeuden mukaan. .