Como funcionan as células solares

Células solares absorber a luz solar para producir as funcións das baterías comúns. Pero a diferenza das baterías tradicionais, a tensión de saída e a potencia máxima de saída das baterías tradicionais están fixas, mentres que a tensión de saída, a corrente e a potencia das células solares están relacionadas coas condicións de iluminación e os puntos de funcionamento da carga. Por iso, para usar células solares para xerar electricidade, debes comprender a relación corrente-tensión e o principio de funcionamento das células solares.

Iluminación espectral da luz solar:

A fonte de enerxía das células solares é a luz solar, polo que a intensidade e o espectro da luz solar incidente determinan a saída de corrente e tensión pola célula solar. Sabemos que cando un obxecto se coloca baixo o sol, recibe a luz solar de dúas formas, unha é a luz solar directa e a outra é a luz solar difusa despois de ser espallada por outros obxectos na superficie. En circunstancias normais, a luz incidente directa representa preto do 80% da luz recibida por unha célula solar. Polo tanto, a nosa seguinte discusión tamén se centrará na exposición directa á luz solar.

A intensidade e o espectro da luz solar pódense expresar mediante a irradiación do espectro, que é a potencia luminosa por unidade de lonxitude de onda por unidade de área (W/㎡um). A intensidade da luz solar (W/㎡) é a suma de todas as lonxitudes de onda da iluminación do espectro. A iluminación espectral da luz solar está relacionada coa posición medida e o ángulo do sol en relación á superficie terrestre. Isto débese a que a luz solar será absorbida e dispersa pola atmosfera antes de chegar á superficie terrestre. Os dous factores de posición e ángulo están representados xeralmente pola chamada masa de aire (AM). Para a iluminación solar, AMO refírese á situación no espazo exterior cando o sol brilla directamente. A súa intensidade luminosa é de aproximadamente 1353 W/㎡, o que é aproximadamente equivalente á fonte de luz producida pola radiación do corpo negro cunha temperatura de 5800K. AMI refírese á situación na superficie terrestre, cando o sol brilla directamente, a intensidade da luz é duns 925 W/m2. AMI.5 refírese á situación na superficie terrestre, cando o sol incide nun ángulo de 45 graos, a intensidade luminosa é duns 844 W/m2. AM 1,5 úsase xeralmente para representar a iluminación media da luz solar na superficie terrestre. Modelo de circuíto de células solares:

Cando non hai luz, unha célula solar compórtase como un díodo de unión pn. A relación corrente-tensión dun díodo ideal pódese expresar como:

Onde I representa a corrente, V representa a tensión, Is é a corrente de saturación e VT=KBT/q0, onde KB representa a constante de BoItzmann, q0 é a unidade de carga eléctrica e T é a temperatura. A temperatura ambiente, VT=0,026 v. Nótese que a dirección da corrente do diodo Pn defínese para fluír de tipo P a tipo n no dispositivo e os valores positivos e negativos da tensión defínense como o potencial terminal de tipo P. menos o potencial terminal de tipo n. Polo tanto, se se segue esta definición, cando a célula solar está funcionando, o seu valor de tensión é positivo, o seu valor actual é negativo e a curva IV está no cuarto cuadrante. Aquí hai que lembrar aos lectores que o chamado díodo ideal baséase en moitas condicións físicas e que os díodos reais terán naturalmente algúns factores non ideais que afectan a relación corrente-tensión do dispositivo, como a corrente de xeración e recombinación, aquí We won' non o discuto moito. Cando a célula solar está exposta á luz, haberá fotocorrente no díodo pn. Debido a que a dirección do campo eléctrico incorporado da unión pn é do tipo n ao tipo p, os pares electrón-burato xerados pola absorción de fotóns dirixiranse cara ao extremo do tipo n, mentres que os buratos discorrerán cara ao p -tipo final. A fotocorrente formada polos dous fluirá de tipo n a tipo p. Xeralmente, a dirección de corrente directa dun díodo defínese como fluíndo do tipo p ao tipo n. Deste xeito, en comparación cun díodo ideal, a fotocorrente xerada por unha célula solar cando está iluminada é unha corrente negativa. A relación corrente-tensión da célula solar é o díodo ideal máis unha fotocorrente negativa IL, cuxa magnitude é:

Noutras palabras, cando non hai luz, IL=0, a célula solar é só un díodo común. Cando a célula solar está en curtocircuíto, é dicir, V=0, a corrente de curtocircuíto é Isc=-IL. É dicir, cando a célula solar está en curtocircuíto, a corrente de curtocircuíto é a fotocorrente xerada pola luz incidente. Se a célula solar é de circuíto aberto, é dicir, se I=0, a súa tensión de circuíto aberto é:

Figura 2. Circuíto equivalente da célula solar: (a) sen, (b) con resistencias en serie e en derivación. Hai que subliñar aquí que a tensión de circuíto aberto e a corrente de curtocircuíto son dous parámetros importantes das características das células solares.

A potencia de saída dunha célula solar é o produto da corrente e a tensión:

Obviamente, a potencia de saída da célula solar non é un valor fixo. Alcanza o valor máximo nun determinado punto de funcionamento de tensión de corrente e a potencia máxima de saída Pmax pódese determinar mediante dp/dv=0. Podemos deducir que a tensión de saída á potencia máxima de saída Pmax é:

e a corrente de saída é:

A potencia máxima de saída da célula solar é:

A eficiencia dunha célula solar refírese á proporción da célula solar que converte o Pin de potencia da luz incidente na potencia eléctrica de saída máxima, é dicir:

As medidas xerais de eficiencia das células solares usan unha fonte de luz similar á luz solar con pin=1000W/㎡.

Experimentalmente, a relación corrente-tensión das células solares non segue completamente a descrición teórica anterior. Isto débese a que o propio dispositivo fotovoltaico ten a chamada resistencia en serie e resistencia en derivación. Para calquera material semicondutor, ou o contacto entre un semicondutor e un metal, inevitablemente haberá unha maior ou menor resistencia, que formará a resistencia en serie do dispositivo fotovoltaico. Por outra banda, calquera camiño de corrente que non sexa o díodo Pn ideal entre os electrodos positivos e negativos do dispositivo fotovoltaico provocará a chamada corrente de fuga, como a corrente de xeración-recombinación no dispositivo. , corrente de recombinación superficial, illamento incompleto dos bordos do dispositivo e unión de penetración de contacto metálico.

Normalmente, usamos a resistencia de derivación para definir a corrente de fuga das células solares, é dicir, Rsh=V/Ileak. Canto maior sexa a resistencia de derivación, menor será a corrente de fuga. Se consideramos a resistencia conxunta Rs e a resistencia en derivación Rsh, a relación corrente-tensión da célula solar pódese escribir como:

Tamén podemos usar só un parámetro, o chamado factor de recheo, para resumir tanto os efectos da resistencia en serie como a resistencia de derivación. definido como:

É obvio que o factor de recheo é máximo se non hai resistencia en serie e a resistencia en derivación é infinita (sen corrente de fuga). Calquera aumento da resistencia en serie ou diminución da resistencia de derivación reducirá o factor de recheo. Deste xeito,. A eficiencia das células solares pódese expresar mediante tres parámetros importantes: a tensión de circuíto aberto Voc, a corrente de curtocircuíto Isc e o factor de recheo FF.

Obviamente, para mellorar a eficiencia dunha célula solar, é necesario aumentar simultaneamente a súa tensión de circuíto aberto, a súa corrente de curtocircuíto (é dicir, a fotocorrente) e o factor de recheo (é dicir, reducir a resistencia en serie e a corrente de fuga).

Tensión de circuíto aberto e corrente de curtocircuíto: a xulgar pola fórmula anterior, a tensión de circuíto aberto da célula solar está determinada pola fotocorrente e a célula saturada. Desde a perspectiva da física de semicondutores, a tensión do circuíto aberto é igual á diferenza de enerxía de Fermi entre os electróns e os buratos na rexión de carga espacial. En canto á corrente de saturación dun diodo Pn ideal, pode usar:

expresar. onde q0 representa a carga unitaria, ni representa a concentración de portador intrínseco do semicondutor, ND e NA representan cada un a concentración do doador e do aceptor, Dn e Dp representan cada un o coeficiente de difusión de electróns e ocos, a expresión anterior supón n - O caso no que tanto a rexión tipo como a rexión tipo p son amplas. Xeralmente, para as células solares que usan substratos de tipo p, a área de tipo n é moi pouco profunda e a expresión anterior debe ser modificada.

Mencionamos anteriormente que cando se ilumina unha célula solar, xérase unha fotocorrente, e a fotocorrente é a corrente de circuíto pechado na relación corrente-tensión da célula solar. Aquí describiremos brevemente a orixe da fotocorrente. A taxa de xeración de portadores en unidade de volume por unidade de tempo (unidade m -3 s -1 ) está determinada polo coeficiente de absorción de luz, é dicir.

Entre eles, α representa o coeficiente de absorción de luz, que é a intensidade dos fotóns incidentes (ou densidade de fluxo de fotóns), e R fai referencia ao coeficiente de reflexión, polo que representa a intensidade dos fotóns incidentes que non se reflicten. Os tres mecanismos principais que xeran a fotocorrente son: a corrente de difusión dos electróns portadores minoritarios na rexión de tipo p, a corrente de difusión dos buratos portadores minoritarios na rexión de tipo n e a deriva de electróns e ocos na rexión de carga espacial. actual. Polo tanto, a fotocorrente pódese expresar aproximadamente como:

Entre eles, Ln e Lp representan cada un a lonxitude de difusión dos electróns na rexión de tipo p e os buratos na rexión de tipo n, e é o ancho da rexión de carga espacial. Resumindo estes resultados, obtemos unha expresión sinxela para a tensión de circuíto aberto:

onde Vrcc representa a taxa de recombinación de pares de electrón-burato por unidade de volume. Por suposto, este é un resultado natural, porque a tensión do circuíto aberto é igual á diferenza de enerxía de Fermi entre electróns e buratos na rexión de carga espacial, e a diferenza de enerxía de Fermi entre electróns e buratos está determinada pola taxa de xeración de portadores e a taxa de recombinación. .