Comment fonctionnent les cellules solaires

Cellules solaires absorber la lumière du soleil pour produire les fonctions des batteries ordinaires. Mais contrairement aux batteries traditionnelles, la tension de sortie et la puissance de sortie maximale des batteries traditionnelles sont fixes, tandis que la tension de sortie, le courant et la puissance des cellules solaires sont liées aux conditions d'éclairage et aux points de fonctionnement de la charge. Pour cette raison, pour utiliser des cellules solaires pour produire de l’électricité, vous devez comprendre la relation courant-tension et le principe de fonctionnement des cellules solaires.

Éclairage spectral de la lumière solaire :

La source d'énergie des cellules solaires est la lumière du soleil, de sorte que l'intensité et le spectre de la lumière solaire incidente déterminent le courant et la tension de sortie de la cellule solaire. Nous savons que lorsqu’un objet est placé sous le soleil, il reçoit la lumière du soleil de deux manières : l’une est la lumière directe du soleil et l’autre est la lumière diffuse du soleil après avoir été diffusée par d’autres objets à la surface. Dans des circonstances normales, la lumière incidente directe représente environ 80 % de la lumière reçue par une cellule solaire. Par conséquent, notre discussion suivante portera également sur l’exposition directe au soleil.

L'intensité et le spectre de la lumière solaire peuvent être exprimés par l'irradiance spectrale, qui est la puissance lumineuse par unité de longueur d'onde par unité de surface (W/㎡um). L'intensité de la lumière solaire (W/㎡) est la somme de toutes les longueurs d'onde du spectre d'éclairage. Le spectre d'éclairage de la lumière solaire est lié à la position mesurée et à l'angle du soleil par rapport à la surface de la Terre. En effet, la lumière solaire sera absorbée et diffusée par l'atmosphère avant d'atteindre la surface de la Terre. Les deux facteurs de position et d'angle sont généralement représentés par ce que l'on appelle la masse d'air (AM). Pour l’éclairage solaire, AMO fait référence à la situation dans l’espace lorsque le soleil brille directement. Son intensité lumineuse est d'environ 1 353 W/㎡, ce qui équivaut à peu près à la source lumineuse produite par le rayonnement du corps noir avec une température de 5 800 K. AMI fait référence à la situation à la surface de la Terre, lorsque le soleil brille directement, l'intensité lumineuse est d'environ 925 W/m2. AMI.5 fait référence à la situation à la surface de la Terre, lorsque le soleil tombe à un angle de 45 degrés, l'intensité lumineuse est d'environ 844 W/m2. AM 1,5 est généralement utilisé pour représenter l'éclairement moyen de la lumière solaire sur la surface de la Terre. Modèle de circuit de cellules solaires :

Lorsqu’il n’y a pas de lumière, une cellule solaire se comporte comme une diode à jonction pn. La relation courant-tension d'une diode idéale peut être exprimée par

Où I représente le courant, V représente la tension, Is est le courant de saturation et VT=KBT/q0, où KB représente la constante de BoItzmann, q0 est la charge électrique unitaire et T est la température. À température ambiante, VT=0,026v. Il convient de noter que la direction du courant de la diode Pn est définie pour circuler du type P au type n dans l'appareil, et les valeurs positives et négatives de la tension sont définies comme le potentiel terminal de type P. moins le potentiel terminal de type n. Par conséquent, si cette définition est suivie, lorsque la cellule solaire fonctionne, sa valeur de tension est positive, sa valeur de courant est négative et la courbe IV se trouve dans le quatrième quadrant. Il faut rappeler aux lecteurs ici que la diode dite idéale est basée sur de nombreuses conditions physiques, et que les diodes réelles auront naturellement certains facteurs non idéaux qui affectent la relation courant-tension de l'appareil, tels que le courant de génération-recombinaison, ici nous gagnerons. Je n’en discute pas beaucoup. Lorsque la cellule solaire est exposée à la lumière, il y aura un photocourant dans la diode pn. Étant donné que la direction du champ électrique intégré de la jonction pn va du type n au type p, les paires électron-trou générées par l'absorption des photons se dirigeront vers l'extrémité du type n, tandis que les trous se dirigeront vers le type p. -type fin. Le photocourant formé par les deux circulera du type n au type p. Généralement, la direction du courant direct d’une diode est définie comme circulant du type p au type n. Ainsi, comparé à une diode idéale, le photocourant généré par une cellule solaire lorsqu’elle est éclairée est un courant négatif. La relation courant-tension de la cellule solaire est la diode idéale plus un photocourant négatif IL, dont l'amplitude est :

En d’autres termes, lorsqu’il n’y a pas de lumière, IL=0, la cellule solaire n’est qu’une diode ordinaire. Lorsque la cellule solaire est court-circuitée, c'est-à-dire V=0, le courant de court-circuit est Isc=-IL. C'est-à-dire que lorsque la cellule solaire est court-circuitée, le courant de court-circuit est le photocourant généré par la lumière incidente. Si la cellule solaire est en circuit ouvert, c'est-à-dire si I=0, sa tension en circuit ouvert est :

Figure 2. Circuit équivalent d'une cellule solaire : (a) sans, (b) avec résistances série et shunt. Il faut souligner ici que la tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit sont deux paramètres importants des caractéristiques des cellules solaires.

La puissance d’une cellule solaire est le produit du courant et de la tension :

Évidemment, la puissance délivrée par la cellule solaire n’est pas une valeur fixe. Il atteint la valeur maximale à un certain point de fonctionnement courant-tension, et la puissance de sortie maximale Pmax peut être déterminée par dp/dv=0. On peut en déduire que la tension de sortie à la puissance de sortie maximale Pmax est :

et le courant de sortie est :

La puissance maximale de sortie de la cellule solaire est :

L'efficacité d'une cellule solaire fait référence au rapport de la cellule solaire convertissant la puissance Pin de la lumière incidente en puissance électrique de sortie maximale, c'est-à-dire :

Les mesures générales d'efficacité des cellules solaires utilisent une source de lumière similaire à la lumière du soleil avec une broche = 1 000 W/㎡.

Expérimentalement, la relation courant-tension des cellules solaires ne suit pas complètement la description théorique ci-dessus. En effet, le dispositif photovoltaïque lui-même possède ce qu'on appelle une résistance série et une résistance shunt. Pour tout matériau semi-conducteur, ou le contact entre un semi-conducteur et un métal, il y aura inévitablement une résistance plus ou moins grande, qui formera la résistance série du dispositif photovoltaïque. D'autre part, tout chemin de courant autre que la diode Pn idéale entre les électrodes positives et négatives du dispositif photovoltaïque provoquera ce que l'on appelle le courant de fuite, tel que le courant de génération-recombinaison dans le dispositif. , courant de recombinaison de surface, isolation incomplète des bords du dispositif et jonction de pénétration de contact métallique.

Habituellement, nous utilisons la résistance shunt pour définir le courant de fuite des cellules solaires, c'est-à-dire Rsh=V/Ileak. Plus la résistance du shunt est grande, plus le courant de fuite est faible. Si l’on considère la résistance conjointe Rs et la résistance shunt Rsh, la relation courant-tension de la cellule solaire peut s’écrire comme suit :

Nous pouvons également utiliser un seul paramètre, appelé facteur de remplissage, pour résumer à la fois les effets de la résistance série et de la résistance shunt. défini comme:

Il est évident que le facteur de remplissage est maximum s'il n'y a pas de résistance série et que la résistance shunt est infinie (pas de courant de fuite). Toute augmentation de la résistance série ou diminution de la résistance shunt réduira le facteur de remplissage. De cette façon,. L'efficacité des cellules solaires peut être exprimée par trois paramètres importants : la tension en circuit ouvert Voc, le courant de court-circuit Isc et le facteur de remplissage FF.

Évidemment, pour améliorer l'efficacité d'une cellule solaire, il est nécessaire d'augmenter simultanément sa tension en circuit ouvert, son courant de court-circuit (c'est-à-dire le photocourant) et son facteur de remplissage (c'est-à-dire réduire la résistance série et le courant de fuite).

Tension en circuit ouvert et courant de court-circuit : à en juger par la formule précédente, la tension en circuit ouvert de la cellule solaire est déterminée par le photocourant et la cellule saturée. Du point de vue de la physique des semi-conducteurs, la tension en circuit ouvert est égale à la différence d'énergie de Fermi entre les électrons et les trous dans la région de charge d'espace. Quant au courant de saturation d'une diode Pn idéale, vous pouvez utiliser :

exprimer. où q0 représente la charge unitaire, ni représente la concentration intrinsèque de porteurs du semi-conducteur, ND et NA représentent chacun la concentration du donneur et de l'accepteur, Dn et Dp représentent chacun le coefficient de diffusion des électrons et des trous, l'expression ci-dessus suppose n - Le cas où la région type et la région de type p sont toutes deux larges. Généralement, pour les cellules solaires utilisant des substrats de type p, la zone de type n est très peu profonde et l'expression ci-dessus doit être modifiée.

Nous avons mentionné plus tôt que lorsqu'une cellule solaire est éclairée, un photocourant est généré et le photocourant est le courant en circuit fermé dans la relation courant-tension de la cellule solaire. Nous décrirons ici brièvement l’origine du photocourant. Le taux de génération de porteurs en unité de volume par unité de temps (unité m -3 s -1 ) est déterminé par le coefficient d'absorption lumineuse, c'est-à-dire

Parmi eux, α représente le coefficient d'absorption de la lumière, qui est l'intensité des photons incidents (ou densité de flux photonique), et R fait référence au coefficient de réflexion, il représente donc l'intensité des photons incidents qui ne sont pas réfléchis. Les trois principaux mécanismes qui génèrent le photocourant sont : le courant de diffusion des électrons porteurs minoritaires dans la région de type p, le courant de diffusion des trous porteurs minoritaires dans la région de type n et la dérive des électrons et des trous dans la région de charge d'espace. actuel. Par conséquent, le photocourant peut être approximativement exprimé comme suit :

Parmi eux, Ln et Lp représentent chacun la longueur de diffusion des électrons dans la région de type p et des trous dans la région de type n, et constituent la largeur de la région de charge d'espace. En résumant ces résultats, nous obtenons une expression simple pour la tension en circuit ouvert :

où Vrcc représente le taux de recombinaison des paires électron-trou par unité de volume. Bien sûr, c'est un résultat naturel, car la tension en circuit ouvert est égale à la différence d'énergie de Fermi entre les électrons et les trous dans la région de charge d'espace, et la différence d'énergie de Fermi entre les électrons et les trous est déterminée par le taux de génération de porteurs et le taux de recombinaison. .