सौर सेल कैसे काम करते हैं

सौर कोशिकाएं साधारण बैटरियों के कार्यों को उत्पन्न करने के लिए सूर्य के प्रकाश को अवशोषित करें। लेकिन पारंपरिक बैटरियों के विपरीत, पारंपरिक बैटरियों का आउटपुट वोल्टेज और अधिकतम आउटपुट पावर तय होता है, जबकि सौर कोशिकाओं का आउटपुट वोल्टेज, करंट और पावर प्रकाश की स्थिति और लोड ऑपरेटिंग बिंदुओं से संबंधित होते हैं। इस कारण से, बिजली उत्पन्न करने के लिए सौर कोशिकाओं का उपयोग करने के लिए, आपको सौर कोशिकाओं के वर्तमान-वोल्टेज संबंध और कार्य सिद्धांत को समझना होगा।

सूर्य के प्रकाश की वर्णक्रमीय रोशनी:

सौर कोशिकाओं का ऊर्जा स्रोत सूर्य का प्रकाश है, इसलिए आपतित सूर्य के प्रकाश की तीव्रता और स्पेक्ट्रम सौर सेल द्वारा वर्तमान और वोल्टेज आउटपुट को निर्धारित करते हैं। हम जानते हैं कि जब किसी वस्तु को सूर्य के नीचे रखा जाता है, तो उस पर दो तरह से सूर्य का प्रकाश पड़ता है, एक प्रत्यक्ष सूर्य का प्रकाश, और दूसरा सतह पर अन्य वस्तुओं द्वारा बिखरने के बाद विसरित सूर्य का प्रकाश। सामान्य परिस्थितियों में, सौर सेल द्वारा प्राप्त प्रकाश का लगभग 80% प्रत्यक्ष आपतित प्रकाश होता है। इसलिए, हमारी निम्नलिखित चर्चा सूर्य के प्रकाश के सीधे संपर्क पर भी केंद्रित होगी।

सूर्य के प्रकाश की तीव्रता और स्पेक्ट्रम को स्पेक्ट्रम विकिरण द्वारा व्यक्त किया जा सकता है, जो प्रति यूनिट तरंग दैर्ध्य प्रति यूनिट क्षेत्र (डब्ल्यू / ㎡um) की प्रकाश शक्ति है। सूर्य के प्रकाश की तीव्रता (W/㎡) स्पेक्ट्रम रोशनी की सभी तरंग दैर्ध्य का योग है। सूर्य के प्रकाश की स्पेक्ट्रम रोशनी पृथ्वी की सतह के सापेक्ष सूर्य की मापी गई स्थिति और कोण से संबंधित है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सूर्य का प्रकाश पृथ्वी की सतह तक पहुँचने से पहले वायुमंडल द्वारा अवशोषित और बिखर जाएगा। स्थिति और कोण के दो कारकों को आम तौर पर तथाकथित वायु द्रव्यमान (एएम) द्वारा दर्शाया जाता है। सौर रोशनी के लिए, एएमओ बाहरी अंतरिक्ष की उस स्थिति को संदर्भित करता है जब सूर्य सीधे चमक रहा होता है। इसकी प्रकाश की तीव्रता लगभग 1353 W/㎡ है, जो लगभग 5800K के तापमान के साथ ब्लैकबॉडी विकिरण द्वारा उत्पादित प्रकाश स्रोत के बराबर है। एएमआई पृथ्वी की सतह पर उस स्थिति को संदर्भित करता है, जब सूर्य सीधे चमक रहा होता है, प्रकाश की तीव्रता लगभग 925 W/m2 होती है। AMI.5 पृथ्वी की सतह पर स्थिति को संदर्भित करता है, जब सूर्य 45 डिग्री के कोण पर आपतित होता है, तो प्रकाश की तीव्रता लगभग 844 W/m2 होती है। AM 1.5 का उपयोग आमतौर पर पृथ्वी की सतह पर सूर्य के प्रकाश की औसत रोशनी को दर्शाने के लिए किया जाता है। सौर सेल सर्किट मॉडल:

जब कोई प्रकाश नहीं होता है, तो सौर सेल पीएन जंक्शन डायोड की तरह व्यवहार करता है। एक आदर्श डायोड के वर्तमान-वोल्टेज संबंध को इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है

जहां I वर्तमान का प्रतिनिधित्व करता है, V वोल्टेज का प्रतिनिधित्व करता है, Is संतृप्ति वर्तमान है, और VT=KBT/q0 है, जहां KB BoItzmann स्थिरांक का प्रतिनिधित्व करता है, q0 इकाई विद्युत आवेश का प्रतिनिधित्व करता है, और T तापमान है। कमरे के तापमान पर, VT=0.026v. यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि पीएन डायोड करंट की दिशा को डिवाइस में पी-टाइप से एन-टाइप तक प्रवाहित करने के लिए परिभाषित किया गया है, और वोल्टेज के सकारात्मक और नकारात्मक मानों को पी-टाइप टर्मिनल क्षमता के रूप में परिभाषित किया गया है। एन-प्रकार टर्मिनल क्षमता को घटाएं। इसलिए, यदि इस परिभाषा का पालन किया जाता है, तो जब सौर सेल काम कर रहा होता है, तो इसका वोल्टेज मान सकारात्मक होता है, इसका वर्तमान मान नकारात्मक होता है, और IV वक्र चौथे चतुर्थांश में होता है। पाठकों को यहां याद दिलाया जाना चाहिए कि तथाकथित आदर्श डायोड कई भौतिक स्थितियों पर आधारित है, और वास्तविक डायोड में स्वाभाविक रूप से कुछ गैर-आदर्श कारक होंगे जो डिवाइस के वर्तमान-वोल्टेज संबंध को प्रभावित करते हैं, जैसे पीढ़ी-पुनर्संयोजन वर्तमान, यहां हम जीत गए।' इस पर ज्यादा चर्चा मत करो. जब सौर सेल प्रकाश के संपर्क में आता है, तो पीएन डायोड में फोटोकरंट होगा। क्योंकि पीएन जंक्शन की अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र दिशा एन-प्रकार से पी-प्रकार तक है, फोटॉन के अवशोषण से उत्पन्न इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े एन-प्रकार के अंत की ओर चलेंगे, जबकि छेद पी की ओर चलेंगे। -प्रकार अंत. दोनों द्वारा निर्मित प्रकाशधारा n-प्रकार से p-प्रकार की ओर प्रवाहित होगी। आम तौर पर, डायोड की आगे की धारा दिशा को पी-प्रकार से एन-प्रकार तक बहने के रूप में परिभाषित किया जाता है। इस प्रकार, एक आदर्श डायोड की तुलना में, प्रकाशित होने पर सौर सेल द्वारा उत्पन्न प्रकाश धारा एक नकारात्मक धारा होती है। सौर सेल का वर्तमान-वोल्टेज संबंध आदर्श डायोड प्लस एक नकारात्मक फोटोकरंट आईएल है, जिसका परिमाण है:

दूसरे शब्दों में, जब कोई प्रकाश नहीं होता है, IL=0, तो सौर सेल सिर्फ एक साधारण डायोड होता है। जब सौर सेल शॉर्ट-सर्किट होता है, यानी V=0, तो शॉर्ट-सर्किट करंट Isc=-IL होता है। कहने का तात्पर्य यह है कि, जब सौर सेल शॉर्ट-सर्किट होता है, तो शॉर्ट-सर्किट करंट आपतित प्रकाश द्वारा उत्पन्न फोटोकरंट होता है। यदि सौर सेल खुला सर्किट है, अर्थात, यदि I=0, तो इसका खुला सर्किट वोल्टेज है:

चित्र 2. सौर सेल का समतुल्य सर्किट: (ए) बिना, (बी) श्रृंखला और शंट प्रतिरोधों के साथ। यहां इस बात पर जोर दिया जाना चाहिए कि ओपन सर्किट वोल्टेज और शॉर्ट सर्किट करंट सौर सेल विशेषताओं के दो महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं।

सौर सेल का विद्युत उत्पादन धारा और वोल्टेज का उत्पाद है:

जाहिर है, सौर सेल द्वारा बिजली उत्पादन एक निश्चित मूल्य नहीं है। यह एक निश्चित वर्तमान-वोल्टेज ऑपरेटिंग बिंदु पर अधिकतम मूल्य तक पहुंचता है, और अधिकतम आउटपुट पावर Pmax को dp/dv=0 द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। हम यह अनुमान लगा सकते हैं कि अधिकतम आउटपुट पावर Pmax पर आउटपुट वोल्टेज है:

और आउटपुट करंट है:

सौर सेल की अधिकतम उत्पादन शक्ति है:

सौर सेल की दक्षता, आपतित प्रकाश की शक्ति पिन को अधिकतम आउटपुट विद्युत शक्ति में परिवर्तित करने वाले सौर सेल के अनुपात को संदर्भित करती है, जो है:

सामान्य सौर सेल दक्षता माप पिन=1000W/㎡ के साथ सूर्य के प्रकाश के समान प्रकाश स्रोत का उपयोग करते हैं।

प्रायोगिक तौर पर, सौर कोशिकाओं का वर्तमान-वोल्टेज संबंध उपरोक्त सैद्धांतिक विवरण का पूरी तरह से पालन नहीं करता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि फोटोवोल्टिक डिवाइस में स्वयं तथाकथित श्रृंखला प्रतिरोध और शंट प्रतिरोध होता है। किसी भी अर्धचालक सामग्री के लिए, या अर्धचालक और धातु के बीच संपर्क के लिए, अनिवार्य रूप से अधिक या कम प्रतिरोध होगा, जो फोटोवोल्टिक डिवाइस की श्रृंखला प्रतिरोध का निर्माण करेगा। दूसरी ओर, फोटोवोल्टिक डिवाइस के सकारात्मक और नकारात्मक इलेक्ट्रोड के बीच आदर्श पीएन डायोड के अलावा कोई भी वर्तमान पथ तथाकथित लीकेज करंट का कारण बनेगा, जैसे कि डिवाइस में पीढ़ी-पुनर्संयोजन धारा। , सतह पुनर्संयोजन वर्तमान, डिवाइस का अधूरा किनारा अलगाव, और धातु संपर्क प्रवेश जंक्शन।

आमतौर पर, हम सौर कोशिकाओं के लीकेज करंट को परिभाषित करने के लिए शंट प्रतिरोध का उपयोग करते हैं, अर्थात, रुश=वी/इलेक। शंट प्रतिरोध जितना बड़ा होगा, रिसाव धारा उतनी ही कम होगी। यदि हम संयुक्त प्रतिरोध रुपये और शंट प्रतिरोध रुपये पर विचार करते हैं, तो सौर सेल का वर्तमान-वोल्टेज संबंध इस प्रकार लिखा जा सकता है:

हम श्रृंखला प्रतिरोध और शंट प्रतिरोध दोनों प्रभावों को संक्षेप में प्रस्तुत करने के लिए केवल एक पैरामीटर, तथाकथित भरण कारक का उपयोग कर सकते हैं। के रूप में परिभाषित:

यह स्पष्ट है कि यदि कोई श्रृंखला अवरोधक नहीं है और शंट प्रतिरोध अनंत है (कोई रिसाव धारा नहीं है) तो भरण कारक अधिकतम है। श्रृंखला प्रतिरोध में कोई भी वृद्धि या शंट प्रतिरोध में कमी से भरण कारक कम हो जाएगा। इस प्रकार से,। सौर कोशिकाओं की दक्षता को तीन महत्वपूर्ण मापदंडों द्वारा व्यक्त किया जा सकता है: ओपन सर्किट वोल्टेज वोक, शॉर्ट सर्किट करंट आईएससी, और फिल फैक्टर एफएफ।

जाहिर है, सौर सेल की दक्षता में सुधार करने के लिए, इसके ओपन सर्किट वोल्टेज, शॉर्ट सर्किट करंट (यानी, फोटोकरंट), और फिल फैक्टर (यानी, श्रृंखला प्रतिरोध और लीकेज करंट को कम करना) को एक साथ बढ़ाना आवश्यक है।

ओपन सर्किट वोल्टेज और शॉर्ट सर्किट करंट: पिछले सूत्र से देखते हुए, सौर सेल का ओपन सर्किट वोल्टेज फोटोकरंट और संतृप्त सेल द्वारा निर्धारित किया जाता है। अर्धचालक भौतिकी के दृष्टिकोण से, ओपन सर्किट वोल्टेज अंतरिक्ष चार्ज क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच फर्मी ऊर्जा अंतर के बराबर है। एक आदर्श पीएन डायोड की संतृप्ति धारा के लिए, आप इसका उपयोग कर सकते हैं:

ज़ाहिर करना। जहां q0 यूनिट चार्ज का प्रतिनिधित्व करता है, ni अर्धचालक की आंतरिक वाहक एकाग्रता का प्रतिनिधित्व करता है, ND और NA प्रत्येक दाता और स्वीकर्ता की एकाग्रता का प्रतिनिधित्व करते हैं, Dn और Dp प्रत्येक इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के प्रसार गुणांक का प्रतिनिधित्व करते हैं, उपरोक्त अभिव्यक्ति n मान रही है - ऐसा मामला जहां टाइप क्षेत्र और पी-टाइप क्षेत्र दोनों व्यापक हैं। आम तौर पर, पी-प्रकार सब्सट्रेट्स का उपयोग करने वाले सौर कोशिकाओं के लिए, एन-प्रकार क्षेत्र बहुत उथला होता है, और उपरोक्त अभिव्यक्ति को संशोधित करने की आवश्यकता होती है।

हमने पहले उल्लेख किया है कि जब एक सौर सेल प्रकाशित होता है, तो एक फोटोकरंट उत्पन्न होता है, और फोटोकरंट सौर सेल के वर्तमान-वोल्टेज संबंध में बंद-सर्किट करंट होता है। यहां हम प्रकाश धारा की उत्पत्ति का संक्षेप में वर्णन करेंगे। प्रति इकाई समय में इकाई आयतन में वाहकों की उत्पादन दर (इकाई एम -3 एस -1) प्रकाश अवशोषण गुणांक द्वारा निर्धारित की जाती है, अर्थात

उनमें से, α प्रकाश अवशोषण गुणांक का प्रतिनिधित्व करता है, जो कि घटना फोटॉनों (या फोटॉन फ्लक्स घनत्व) की तीव्रता है, और आर प्रतिबिंब गुणांक को संदर्भित करता है, इसलिए यह उन घटना फोटॉनों की तीव्रता का प्रतिनिधित्व करता है जो प्रतिबिंबित नहीं होते हैं। फोटोकरंट उत्पन्न करने वाले तीन मुख्य तंत्र हैं: पी-प्रकार क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहक इलेक्ट्रॉनों का प्रसार प्रवाह, एन-प्रकार क्षेत्र में अल्पसंख्यक वाहक छिद्रों का प्रसार प्रवाह, और अंतरिक्ष चार्ज क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों का बहाव। मौजूदा। इसलिए, फोटोक्रेक्ट को लगभग इस प्रकार व्यक्त किया जा सकता है:

उनमें से, एलएन और एलपी प्रत्येक पी-प्रकार क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों की प्रसार लंबाई और एन-प्रकार क्षेत्र में छेद का प्रतिनिधित्व करते हैं, और अंतरिक्ष चार्ज क्षेत्र की चौड़ाई है। इन परिणामों को सारांशित करते हुए, हमें ओपन सर्किट वोल्टेज के लिए एक सरल अभिव्यक्ति मिलती है:

जहां वीआरसीसी प्रति इकाई आयतन इलेक्ट्रॉन-छेद जोड़े की पुनर्संयोजन दर का प्रतिनिधित्व करता है। बेशक, यह एक प्राकृतिक परिणाम है, क्योंकि ओपन सर्किट वोल्टेज स्पेस चार्ज क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच फर्मी ऊर्जा अंतर के बराबर है, और इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों के बीच फर्मी ऊर्जा अंतर वाहक उत्पादन दर और पुनर्संयोजन दर द्वारा निर्धारित किया जाता है। .