Hoe sinnesellen wurkje

Sinnesellen sinneljocht absorbearje om de funksjes fan gewoane batterijen te produsearjen. Mar yn tsjinstelling ta tradisjonele batterijen, binne de útfierspanning en maksimale útfierkrêft fan tradisjonele batterijen fêst, wylst de útfierspanning, stroom en krêft fan sinnesellen relatearre binne oan ljochtbetingsten en load-operaasjepunten. Hjirtroch, om sinnesellen te brûken om elektrisiteit te generearjen, moatte jo de hjoeddeistige-spanningsrelaasje en wurkprinsipe fan sinnesellen begripe.

Spektrale ferljochting fan sinneljocht:

De enerzjyboarne fan sinnesellen is sinneljocht, sadat de yntinsiteit en spektrum fan ynfallend sinneljocht de stroom en spanningsútfier troch de sinnesel bepale. Wy witte dat as in objekt ûnder de sinne pleatst wurdt, it sinneljocht op twa manieren ûntfangt, ien is direkt sinneljocht, en de oare is diffús sinneljocht nei't it troch oare objekten op it oerflak ferspraat is. Under normale omstannichheden makket direkt ynfallend ljocht sa'n 80% út fan it ljocht dat in sinneselle ûntfange. Dêrom sil ús folgjende diskusje ek rjochtsje op direkte bleatstelling oan sinneljocht.

De yntinsiteit en spektrum fan sinneljocht kinne wurde útdrukt troch spektrumbestraling, dat is de ljochtkrêft per ienheid golflingte per ienheid gebiet (W/㎡um). De yntinsiteit fan sinneljocht (W/㎡) is de som fan alle golflingten fan spektrumferljochting. De spektrumferljochting fan sinneljocht is besibbe oan de mjitten posysje en de hoeke fan 'e sinne relatyf oan it ierdoerflak. Dit komt om't it sinneljocht wurdt opnomd en ferspraat troch de sfear foardat it it ierdoerflak berikt. De twa faktoaren fan posysje en hoeke wurde algemien fertsjintwurdige troch de saneamde lucht massa (AM). Foar sinneferljochting ferwiist AMO nei de situaasje yn 'e bûtenromte as de sinne direkt skynt. De ljochtintensiteit is sawat 1353 W/㎡, wat sawat lykweardich is oan de ljochtboarne produsearre troch blackbody-strieling mei in temperatuer fan 5800K. AMI ferwiist nei de situaasje op it ierdoerflak, as de sinne direkt skynt, is de ljochtintensiteit sa'n 925 W/m2. AMI.5 ferwiist nei de situaasje op it ierdoerflak, as de sinne yn in hoeke fan 45 graden ynfal is, is de ljochtintensiteit sa'n 844 W/m2. AM 1.5 wurdt algemien brûkt om de gemiddelde ferljochting fan sinneljocht op it ierdoerflak foar te stellen. Solar cell circuit model:

As der gjin ljocht is, gedraacht in sinnesel him as in pn-knooppuntdiode. De hjoeddeistige-spanningsrelaasje fan in ideale diode kin wurde útdrukt as

Wêr't I de stroom foarstelt, stiet V de spanning foar, Is is de sêdingstroom, en VT = KBT/q0, wêrby't KB de BoItzmann-konstante stiet, q0 de elektryske lading is, en T de temperatuer is. By keamertemperatuer, VT = 0.026v. It moat opmurken wurde dat de rjochting fan 'e Pn-diode-stream is definieare om te streamen fan P-type nei n-type yn it apparaat, en de positive en negative wearden fan' e spanning wurde definieare as it P-type terminalpotential minus de n-type terminal potinsjeel. Dêrom, as dizze definysje wurdt folge, as de sinne sel wurket, syn spanning wearde is posityf, syn hjoeddeistige wearde is negatyf, en de IV kromme is yn it fjirde kwadrant. Lêzers moatte hjir wurde herinnere dat de saneamde ideale diode basearre is op in protte fysike omstannichheden, en eigentlike diodes sille fansels wat net-ideale faktoaren hawwe dy't ynfloed hawwe op 'e stroom-spanningsrelaasje fan it apparaat, lykas generaasje-rekombinaasjestroom, hjir sille wy' t beprate it folle. As de sinnesel oan ljocht bleatsteld wurdt, komt der fotostream yn de pn-diode. Om't de ynboude elektryske fjildrjochting fan it pn-knooppunt fan n-type nei p-type is, sille de elektroanen-gat-pearen dy't ûntstien binne troch de opname fan fotonen nei it n-type ein rinne, wylst de gatten nei de p rinne -type ein. De fotostream foarme troch de twa sil streame fan n-type nei p-type. Yn 't algemien wurdt de foarútstroomrjochting fan in diode definiearre as streamend fan p-type nei n-type. Op dizze manier, yn ferliking mei in ideale diode, is de fotostream generearre troch in sinnesel by ferljochting in negative stroom. De hjoeddeistige-spanningsrelaasje fan 'e sinnesel is de ideale diode plus in negative fotostroom IL, waans grutte is:

Mei oare wurden, as der gjin ljocht is, IL=0, is de sinnesel gewoan in gewoane diode. As de sinnesel koartsluten is, dat is V=0, is de koartslutingsstroom Isc=-IL. Dat wol sizze, as de sinnesel koartsluten is, is de koartslutingsstroom de fotostream dy't ûntstien is troch ynfallend ljocht. As de sinnesel in iepen sirkwy is, dat is, as I = 0, dan is syn iepen sirkwyspanning:

figuer 2. Equivalent circuit fan sinne sel: (a) sûnder, (b) mei rige en shunt wjerstannen. It moat hjir beklamme wurde dat iepen circuit spanning en koartsluting twa wichtige parameters binne fan sinneselskarakteristiken.

De krêftútfier fan in sinnesel is it produkt fan stroom en spanning:

Fansels is de enerzjyútfier troch de sinnesel gjin fêste wearde. It berikt de maksimale wearde op in bepaald aktuele spanning bestjoeringssysteem punt, en de maksimale útfier macht Pmax kin wurde bepaald troch dp / dv = 0. Wy kinne ôfliede dat de útfierspanning by de maksimale útfierkrêft Pmax is:

en de útfierstroom is:

De maksimale útfierkrêft fan 'e sinnesel is:

De effisjinsje fan in sinnesel ferwiist nei de ferhâlding fan 'e sinnesel dy't de macht Pin fan it ynfallende ljocht omsette yn' e maksimale útfier elektryske krêft, dat is:

Algemiene mjittingen fan effisjinsje fan sinnesellen brûke in ljochtboarne fergelykber mei sinneljocht mei pin = 1000W/㎡.

Eksperiminteel folget de stroom-spanningsrelaasje fan sinnesellen de boppesteande teoretyske beskriuwing net folslein. Dit komt om't it fotovoltaïske apparaat sels saneamd searjeresistinsje en shuntresistinsje hat. Foar alle semiconductor materiaal, of it kontakt tusken in semiconductor en in metaal, der sil ûnûntkomber in grutter of minder wjerstân, dat sil foarmje de rige wjerstân fan de fotovoltaïsche apparaat. Oan 'e oare kant sil elke stroompaad oars as de ideale Pn-diode tusken de positive en negative elektroden fan it fotovoltaïske apparaat de saneamde lekstroom feroarsaakje, lykas de generaasje-rekombinaasjestroom yn it apparaat. , oerflak rekombinaasje hjoeddeistige, ûnfolsleine râne isolaasje fan it apparaat, en metalen kontakt penetraasje junction.

Meastentiids brûke wy shuntresistinsje om de lekstroom fan sinnesellen te definiearjen, dat is Rsh = V / Ileak. Hoe grutter de shuntresistinsje is, hoe lytser de lekstroom is. As wy de mienskiplike wjerstân Rs en de shuntresistinsje Rsh beskôgje, kin de stroom-spanningsrelaasje fan 'e sinnesel skreaun wurde as:

Wy kinne ek mar ien parameter brûke, de saneamde fillfaktor, om sawol de effekten fan searjeresistinsje as shuntresistinsje te gearfetsje. definiearre as:

It is fanselssprekkend dat de fillfaktor maksimaal is as der gjin searjewjerstân is en de shuntresistinsje is ûneinich (gjin lekstroom). Elke ferheging fan searjeresistinsje of fermindering fan shuntresistinsje sil de fillfaktor ferminderje. Op dizze wize,. De effisjinsje fan sinnesellen kin útdrukt wurde troch trije wichtige parameters: iepen circuit spanning Voc, koartsluting stroom Isc, en fill faktor FF.

Fansels, om de effisjinsje fan in sinnesel te ferbetterjen, is it needsaaklik om tagelyk syn iepen sirkwyspanning, koartslutingstroom (dat is, fotostroom) en fillfaktor (dat is, searjeresistinsje en lekstroom te ferminderjen).

Iepenkringspanning en koartslutingstroom: Ut 'e foarige formule te oardieljen, wurdt de iepenkringspanning fan 'e sinnesel bepaald troch de fotostream en de verzadigde sel. Ut it perspektyf fan semiconductor fysika, de iepen circuit spanning is lyk oan it Fermi enerzjy ferskil tusken elektroanen en gatten yn de romte lading regio. Wat de sêdingstrom fan in ideale Pn-diode oanbelanget, kinne jo brûke:

útdrukke. wêrby't q0 de ienheidslading stiet, ni de yntrinsike dragerkonsintraasje fan 'e semiconductor fertsjintwurdiget, ND en NA elk de konsintraasje fan 'e donor en de akseptor fertsjintwurdigje, Dn en Dp elk de diffusionskoëffisjint fan elektroanen en gatten fertsjintwurdigje, de boppesteande útdrukking giet oan fan n - It gefal dêr't sawol it type regio as it p-type regio beide breed binne. Algemien, foar sinnesellen mei p-type substraten, is it n-type gebiet tige ûndjip, en de boppesteande útdrukking moat wurde wizige.

Wy neamden earder dat as in sinnesel ferljochte wurdt, in fotostream wurdt generearre, en de fotostream is de sletten-circuitstroom yn 'e stroom-spanningsrelaasje fan' e sinnesel. Hjir sille wy koart de oarsprong fan 'e fotostream beskriuwe. De generaasjesnelheid fan dragers yn ienheid folume per ienheid tiid (ienheid m -3 s -1 ) wurdt bepaald troch de ljochtabsorptionskoëffisjint, dat is

Under harren stiet α foar de ljochtabsorptionskoëffisjint, dat is de yntinsiteit fan ynfallende fotonen (of fotonfluxdichtheid), en R ferwiist nei de refleksjekoëffisjint, dus it stiet foar de yntinsiteit fan ynfallende fotonen dy't net reflektearre wurde. De trije wichtichste meganismen dy't generearje photocurrent binne: de diffusion stream fan minderheid drager elektroanen yn de p-type regio, de diffusion stream fan minderheid carrier gatten yn de n-type regio, en de drift fan elektroanen en gatten yn de romte lading regio. aktueel. Dêrom kin de fotostream sawat útdrukt wurde as:

Under harren, Ln en Lp elk fertsjintwurdigje de diffusion lingte fan elektroanen yn de p-type regio en gatten yn de n-type regio, en is de breedte fan de romte lading regio. Gearfetsjend dizze resultaten, wy krije in ienfâldige útdrukking foar de iepen circuit spanning:

dêr't Vrcc stiet foar de rekombinaasje taryf fan elektron-gat pearen per ienheid folume. Fansels is dit in natuerlik resultaat, om't de iepen sirkwyspanning gelyk is oan it Fermi-enerzjyferskil tusken elektroanen en gatten yn 'e romteladingsregio, en it Fermi-enerzjyferskil tusken elektroanen en gatten wurdt bepaald troch de dragergeneraasjerate en rekombinaasjefrekwinsje. .