સૌર કોષો કેવી રીતે કાર્ય કરે છે

સૌર કોષો સામાન્ય બેટરીના કાર્યો ઉત્પન્ન કરવા માટે સૂર્યપ્રકાશને શોષી લે છે. પરંતુ પરંપરાગત બેટરીઓથી વિપરીત, પરંપરાગત બેટરીનું આઉટપુટ વોલ્ટેજ અને મહત્તમ આઉટપુટ પાવર નિશ્ચિત છે, જ્યારે આઉટપુટ વોલ્ટેજ, કરંટ અને સૌર કોષોની શક્તિ પ્રકાશની સ્થિતિ અને લોડ ઓપરેટિંગ પોઈન્ટ સાથે સંબંધિત છે. આને કારણે, વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે સૌર કોષોનો ઉપયોગ કરવા માટે, તમારે વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધ અને સૌર કોષોના કાર્ય સિદ્ધાંતને સમજવો આવશ્યક છે.

સૂર્યપ્રકાશની સ્પેક્ટ્રલ રોશની:

સૌર કોષોનો ઉર્જા સ્ત્રોત સૂર્યપ્રકાશ છે, તેથી ઘટના સૂર્યપ્રકાશની તીવ્રતા અને વર્ણપટ સૌર કોષ દ્વારા વર્તમાન અને વોલ્ટેજ આઉટપુટ નક્કી કરે છે. આપણે જાણીએ છીએ કે જ્યારે કોઈ વસ્તુને સૂર્યની નીચે મૂકવામાં આવે છે, ત્યારે તે બે રીતે સૂર્યપ્રકાશ મેળવે છે, એક સીધો સૂર્યપ્રકાશ છે, અને બીજી સપાટી પરની અન્ય વસ્તુઓ દ્વારા વિખેરાઈ ગયા પછી ફેલાયેલ સૂર્યપ્રકાશ છે. સામાન્ય સંજોગોમાં, સૌર કોષ દ્વારા પ્રાપ્ત થતા પ્રકાશના લગભગ 80% જેટલો પ્રત્યક્ષ ઘટના પ્રકાશનો હિસ્સો છે. તેથી, અમારી નીચેની ચર્ચા સૂર્યપ્રકાશના સીધા સંપર્ક પર પણ ધ્યાન કેન્દ્રિત કરશે.

સૂર્યપ્રકાશની તીવ્રતા અને સ્પેક્ટ્રમ સ્પેક્ટ્રમ ઇરેડિયન્સ દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે, જે એકમ વિસ્તાર (W/㎡um) દીઠ એકમ તરંગલંબાઇ દીઠ પ્રકાશ શક્તિ છે. સૂર્યપ્રકાશની તીવ્રતા (W/㎡) એ સ્પેક્ટ્રમ પ્રકાશની તમામ તરંગલંબાઇનો સરવાળો છે. સૂર્યપ્રકાશનું સ્પેક્ટ્રમ પ્રકાશ પૃથ્વીની સપાટીની તુલનામાં માપેલી સ્થિતિ અને સૂર્યના કોણ સાથે સંબંધિત છે. આનું કારણ એ છે કે પૃથ્વીની સપાટી પર પહોંચતા પહેલા સૂર્યપ્રકાશ વાતાવરણ દ્વારા શોષાઈ જશે અને વિખેરાઈ જશે. સ્થિતિ અને કોણના બે પરિબળો સામાન્ય રીતે કહેવાતા એર માસ (AM) દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. સૌર રોશની માટે, AMO એ બાહ્ય અવકાશની પરિસ્થિતિનો ઉલ્લેખ કરે છે જ્યારે સૂર્ય સીધો ચમકતો હોય. તેની પ્રકાશની તીવ્રતા આશરે 1353 W/㎡ છે, જે લગભગ 5800K તાપમાન સાથે બ્લેકબોડી રેડિયેશન દ્વારા ઉત્પાદિત પ્રકાશ સ્ત્રોતની સમકક્ષ છે. AMI એ પૃથ્વીની સપાટી પરની પરિસ્થિતિનો ઉલ્લેખ કરે છે, જ્યારે સૂર્ય સીધો ચમકતો હોય છે, ત્યારે પ્રકાશની તીવ્રતા લગભગ 925 W/m2 હોય છે. AMI.5 એ પૃથ્વીની સપાટી પરની પરિસ્થિતિનો સંદર્ભ આપે છે, જ્યારે સૂર્ય 45 ડિગ્રીના ખૂણો પર આવે છે, ત્યારે પ્રકાશની તીવ્રતા લગભગ 844 W/m2 છે. AM 1.5 નો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પૃથ્વીની સપાટી પર સૂર્યપ્રકાશના સરેરાશ પ્રકાશને દર્શાવવા માટે થાય છે. સોલર સેલ સર્કિટ મોડલ:

જ્યારે પ્રકાશ ન હોય, ત્યારે સૌર કોષ pn જંકશન ડાયોડની જેમ વર્તે છે. આદર્શ ડાયોડનો વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધ આ રીતે વ્યક્ત કરી શકાય છે

જ્યાં હું વર્તમાનનું પ્રતિનિધિત્વ કરું છું, V વોલ્ટેજનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, તે સંતૃપ્તિ પ્રવાહ છે, અને VT=KBT/q0, જ્યાં KB એ BoItzmann સ્થિરાંકનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, q0 એ એકમ ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ છે, અને T એ તાપમાન છે. ઓરડાના તાપમાને, VT=0.026v. એ નોંધવું જોઈએ કે Pn ડાયોડ પ્રવાહની દિશા ઉપકરણમાં P-ટાઈપથી n-ટાઈપ તરફ વહેવા માટે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવી છે, અને વોલ્ટેજના હકારાત્મક અને નકારાત્મક મૂલ્યોને P-ટાઈપ ટર્મિનલ સંભવિત તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. n-ટાઈપ ટર્મિનલ પોટેન્શિયલ માઈનસ. તેથી, જો આ વ્યાખ્યાને અનુસરવામાં આવે છે, જ્યારે સૌર કોષ કામ કરે છે, ત્યારે તેનું વોલ્ટેજ મૂલ્ય હકારાત્મક છે, તેનું વર્તમાન મૂલ્ય નકારાત્મક છે, અને IV વળાંક ચોથા ચતુર્થાંશમાં છે. વાચકોને અહીં યાદ અપાવવું આવશ્યક છે કે કહેવાતા આદર્શ ડાયોડ ઘણી ભૌતિક પરિસ્થિતિઓ પર આધારિત છે, અને વાસ્તવિક ડાયોડમાં કુદરતી રીતે કેટલાક બિનઆદર્શ પરિબળો હશે જે ઉપકરણના વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધને અસર કરે છે, જેમ કે જનરેશન-રિકોમ્બિનેશન કરંટ, અહીં અમે જીતીશું' તેની બહુ ચર્ચા કરશો નહીં. જ્યારે સૌર કોષ પ્રકાશના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે pn ડાયોડમાં ફોટોકરન્ટ હશે. કારણ કે pn જંકશનની બિલ્ટ-ઇન ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ દિશા n-ટાઈપથી p-ટાઈપ સુધીની છે, ફોટોનના શોષણ દ્વારા પેદા થયેલ ઈલેક્ટ્રોન-હોલ જોડી n-ટાઈપ છેડા તરફ દોડશે, જ્યારે છિદ્રો p તરફ દોડશે. - પ્રકારનો અંત. બંને દ્વારા રચાયેલ ફોટોકરન્ટ એન-ટાઈપથી પી-ટાઈપમાં વહેશે. સામાન્ય રીતે, ડાયોડની ફોરવર્ડ વર્તમાન દિશાને p-type થી n-type તરફ વહેતી તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. આ રીતે, એક આદર્શ ડાયોડની તુલનામાં, જ્યારે પ્રકાશિત થાય છે ત્યારે સૌર કોષ દ્વારા જનરેટ થતો ફોટોકરન્ટ નકારાત્મક પ્રવાહ છે. સૌર કોષનો વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધ એ આદર્શ ડાયોડ વત્તા નકારાત્મક ફોટોકરન્ટ IL છે, જેની તીવ્રતા છે:

બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, જ્યારે કોઈ પ્રકાશ ન હોય, IL=0, સૌર કોષ માત્ર એક સામાન્ય ડાયોડ છે. જ્યારે સૌર કોષ શોર્ટ-સર્કિટ થાય છે, એટલે કે, V=0, શોર્ટ-સર્કિટ પ્રવાહ Isc=-IL છે. કહેવાનો અર્થ એ છે કે, જ્યારે સૌર કોષ શોર્ટ-સર્કિટ થાય છે, ત્યારે શોર્ટ-સર્કિટ કરંટ એ ઘટના પ્રકાશ દ્વારા જનરેટ થતો ફોટોકરન્ટ છે. જો સોલર સેલ ઓપન સર્કિટ હોય, એટલે કે જો I=0 હોય, તો તેનું ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ છે:

આકૃતિ 2. સૌર કોષની સમકક્ષ સર્કિટ: (a) વિના, (b) શ્રેણી અને શંટ રેઝિસ્ટર સાથે. અહીં એ વાત પર ભાર મૂકવો આવશ્યક છે કે ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ અને શોર્ટ સર્કિટ કરંટ એ સૌર કોષની લાક્ષણિકતાઓના બે મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો છે.

સોલર સેલનું પાવર આઉટપુટ વર્તમાન અને વોલ્ટેજનું ઉત્પાદન છે:

દેખીતી રીતે, સૌર કોષ દ્વારા પાવર આઉટપુટ નિશ્ચિત મૂલ્ય નથી. તે ચોક્કસ વર્તમાન-વોલ્ટેજ ઓપરેટિંગ બિંદુ પર મહત્તમ મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે, અને મહત્તમ આઉટપુટ પાવર Pmax dp/dv=0 દ્વારા નક્કી કરી શકાય છે. અમે અનુમાન કરી શકીએ છીએ કે મહત્તમ આઉટપુટ પાવર Pmax પર આઉટપુટ વોલ્ટેજ છે:

અને આઉટપુટ વર્તમાન છે:

સૌર કોષની મહત્તમ આઉટપુટ શક્તિ છે:

સૌર કોષની કાર્યક્ષમતા એ ઘટના પ્રકાશના પાવર પિનને મહત્તમ આઉટપુટ વિદ્યુત શક્તિમાં રૂપાંતરિત કરતા સૌર કોષના ગુણોત્તરનો સંદર્ભ આપે છે, એટલે કે:

સામાન્ય સૌર કોષ કાર્યક્ષમતા માપન પિન=1000W/㎡ સાથે સૂર્યપ્રકાશ જેવા પ્રકાશ સ્ત્રોતનો ઉપયોગ કરે છે.

પ્રાયોગિક રીતે, સૌર કોષોનો વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધ ઉપરોક્ત સૈદ્ધાંતિક વર્ણનને સંપૂર્ણપણે અનુસરતો નથી. આ એટલા માટે છે કારણ કે ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણ પોતે કહેવાતા શ્રેણી પ્રતિકાર અને શંટ પ્રતિકાર ધરાવે છે. કોઈપણ સેમિકન્ડક્ટર સામગ્રી માટે, અથવા સેમિકન્ડક્ટર અને ધાતુ વચ્ચેના સંપર્ક માટે, અનિવાર્યપણે વધુ કે ઓછું પ્રતિકાર હશે, જે ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણની શ્રેણી પ્રતિકાર બનાવશે. બીજી બાજુ, ફોટોવોલ્ટેઇક ઉપકરણના હકારાત્મક અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ વચ્ચેના આદર્શ Pn ડાયોડ સિવાયનો કોઈપણ વર્તમાન માર્ગ કહેવાતા લિકેજ પ્રવાહનું કારણ બનશે, જેમ કે ઉપકરણમાં જનરેશન-રિકોમ્બિનેશન કરંટ. , સપાટી પુનઃસંયોજન વર્તમાન, ઉપકરણની અપૂર્ણ ધાર અલગતા, અને મેટલ સંપર્ક ઘૂંસપેંઠ જંકશન.

સામાન્ય રીતે, આપણે સૌર કોષોના લિકેજ પ્રવાહને વ્યાખ્યાયિત કરવા માટે શન્ટ પ્રતિકારનો ઉપયોગ કરીએ છીએ, એટલે કે, Rsh=V/Ileak. શંટ પ્રતિકાર જેટલો મોટો છે, તેટલો લિકેજ પ્રવાહ ઓછો છે. જો આપણે સંયુક્ત પ્રતિકાર Rs અને શન્ટ પ્રતિકાર Rsh ને ધ્યાનમાં લઈએ, તો સૌર કોષનો વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધ આ રીતે લખી શકાય છે:

સીરિઝ રેઝિસ્ટન્સ અને શન્ટ રેઝિસ્ટન્સ બંનેની અસરોનો સારાંશ આપવા માટે આપણે માત્ર એક પેરામીટર, કહેવાતા ફિલ ફેક્ટરનો પણ ઉપયોગ કરી શકીએ છીએ. તરીકે વ્યાખ્યાયિત:

તે સ્પષ્ટ છે કે જો કોઈ શ્રેણી અવરોધક ન હોય અને શંટ પ્રતિકાર અનંત હોય તો ભરણ પરિબળ મહત્તમ છે (કોઈ લીકેજ વર્તમાન નથી). શ્રેણીના પ્રતિકારમાં કોઈપણ વધારો અથવા શન્ટ પ્રતિકારમાં ઘટાડો ભરણ પરિબળને ઘટાડશે. આ રીતે,. સૌર કોષોની કાર્યક્ષમતા ત્રણ મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો દ્વારા વ્યક્ત કરી શકાય છે: ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ Voc, શોર્ટ સર્કિટ વર્તમાન Isc અને ફિલ ફેક્ટર FF.

દેખીતી રીતે, સૌર કોષની કાર્યક્ષમતામાં સુધારો કરવા માટે, એકસાથે તેના ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ, શોર્ટ સર્કિટ કરંટ (એટલે ​​​​કે ફોટોકરન્ટ) અને ફિલ ફેક્ટર (એટલે ​​​​કે, શ્રેણી પ્રતિકાર અને લિકેજ પ્રવાહ ઘટાડવો) જરૂરી છે.

ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ અને શોર્ટ સર્કિટ કરંટ: અગાઉના સૂત્રને ધ્યાનમાં લેતા, સૌર કોષનું ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ ફોટોકરન્ટ અને સેચ્યુરેટેડ સેલ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. સેમિકન્ડક્ટર ફિઝિક્સના પરિપ્રેક્ષ્યમાં, ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ સ્પેસ ચાર્જ પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો વચ્ચેના ફર્મી ઊર્જા તફાવતની બરાબર છે. આદર્શ Pn ડાયોડના સંતૃપ્તિ વર્તમાન માટે, તમે આનો ઉપયોગ કરી શકો છો:

વ્યક્ત કરવા માટે. જ્યાં q0 એકમ ચાર્જનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, ni એ સેમિકન્ડક્ટરની આંતરિક વાહક સાંદ્રતાને રજૂ કરે છે, ND અને NA દરેક દાતા અને સ્વીકારનારની સાંદ્રતાનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, Dn અને Dp દરેક ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોના પ્રસાર ગુણાંકનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, ઉપરોક્ત અભિવ્યક્તિ n ધારી રહી છે. - કેસ જ્યાં પ્રકાર પ્રદેશ અને p-પ્રકાર પ્રદેશ બંને પહોળા છે. સામાન્ય રીતે, p-ટાઈપ સબસ્ટ્રેટનો ઉપયોગ કરતા સૌર કોષો માટે, n-ટાઈપ વિસ્તાર ખૂબ જ છીછરો હોય છે, અને ઉપરોક્ત અભિવ્યક્તિમાં ફેરફાર કરવાની જરૂર છે.

અમે અગાઉ ઉલ્લેખ કર્યો છે કે જ્યારે સૌર કોષ પ્રકાશિત થાય છે, ત્યારે ફોટોકરન્ટ જનરેટ થાય છે, અને ફોટોકરન્ટ એ સૌર કોષના વર્તમાન-વોલ્ટેજ સંબંધમાં બંધ-સર્કિટ પ્રવાહ છે. અહીં આપણે ફોટોકરન્ટની ઉત્પત્તિનું ટૂંકમાં વર્ણન કરીશું. એકમ સમય દીઠ એકમ વોલ્યુમમાં વાહકોનો જનરેશન રેટ (એકમ m -3 s -1 ) પ્રકાશ શોષણ ગુણાંક દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે, એટલે કે

તેમાંથી, α પ્રકાશ શોષણ ગુણાંકનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, જે ઘટના ફોટોન (અથવા ફોટોન પ્રવાહ ઘનતા) ની તીવ્રતા છે, અને R એ પ્રતિબિંબ ગુણાંકનો સંદર્ભ આપે છે, તેથી તે પ્રતિબિંબિત થતા નથી તેવા ઘટના ફોટોનની તીવ્રતા દર્શાવે છે. ફોટોક્યુરન્ટ ઉત્પન્ન કરતી ત્રણ મુખ્ય પદ્ધતિઓ છે: p-પ્રકારના પ્રદેશમાં લઘુમતી વાહક ઇલેક્ટ્રોનનો પ્રસાર પ્રવાહ, n-પ્રકારના પ્રદેશમાં લઘુમતી વાહક છિદ્રોનો પ્રસરણ પ્રવાહ અને સ્પેસ ચાર્જ પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રોનો પ્રવાહ. વર્તમાન તેથી, ફોટોકરન્ટ અંદાજે આ રીતે વ્યક્ત કરી શકાય છે:

તેમાંથી, Ln અને Lp દરેક p-પ્રકાર પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોનની પ્રસરણ લંબાઈ અને n-ટાઈપ પ્રદેશમાં છિદ્રોનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે, અને તે સ્પેસ ચાર્જ પ્રદેશની પહોળાઈ છે. આ પરિણામોનો સારાંશ આપતાં, અમને ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ માટે એક સરળ અભિવ્યક્તિ મળે છે:

જ્યાં Vrcc એકમ વોલ્યુમ દીઠ ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીના પુનઃસંયોજન દરનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે. અલબત્ત, આ એક કુદરતી પરિણામ છે, કારણ કે ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ એ સ્પેસ ચાર્જ પ્રદેશમાં ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો વચ્ચેના ફર્મી ઊર્જા તફાવતની બરાબર છે, અને ઇલેક્ટ્રોન અને છિદ્રો વચ્ચેની ફર્મી ઊર્જા તફાવત કેરિયર જનરેશન રેટ અને રિકોમ્બિનેશન રેટ દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે. .