Kako rade solarne ćelije

Solarne ćelije apsorbiraju sunčevu svjetlost kako bi ostvarili funkcije običnih baterija. Ali za razliku od tradicionalnih baterija, izlazni napon i maksimalna izlazna snaga tradicionalnih baterija su fiksni, dok su izlazni napon, struja i snaga solarnih ćelija povezani s uvjetima osvjetljenja i radnim točkama opterećenja. Zbog toga, da biste koristili solarne ćelije za proizvodnju električne energije, morate razumjeti odnos struje i napona i princip rada solarnih ćelija.

Spektralno osvjetljenje sunčeve svjetlosti:

Izvor energije solarnih ćelija je sunčeva svjetlost, tako da intenzitet i spektar upadne sunčeve svjetlosti određuju izlaznu struju i napon solarne ćelije. Znamo da kada se neki objekt stavi pod sunce, on prima sunčevu svjetlost na dva načina, jedan je izravna sunčeva svjetlost, a drugi je difuzna sunčeva svjetlost nakon što je rasprše drugi objekti na površini. Pod normalnim okolnostima, izravna upadna svjetlost čini oko 80% svjetlosti koju prima solarna ćelija. Stoga će se naša sljedeća rasprava također usredotočiti na izravnu izloženost sunčevoj svjetlosti.

Intenzitet i spektar sunčeve svjetlosti mogu se izraziti spektralnim zračenjem, što je snaga svjetlosti po jedinici valne duljine po jedinici površine (W/㎡um). Intenzitet sunčeve svjetlosti (W/㎡) je zbroj svih valnih duljina spektra osvjetljenja. Spektar osvjetljenja sunčeve svjetlosti povezan je s izmjerenim položajem i kutom sunca u odnosu na zemljinu površinu. To je zato što će sunčeva svjetlost biti apsorbirana i raspršena u atmosferi prije nego što stigne do površine Zemlje. Dva faktora položaja i kuta općenito su predstavljeni takozvanom zračnom masom (AM). Za solarno osvjetljenje, AMO se odnosi na situaciju u svemiru kada sunce izravno sja. Njegov intenzitet svjetlosti je približno 1353 W/㎡, što je približno ekvivalentno izvoru svjetlosti proizvedenom zračenjem crnog tijela s temperaturom od 5800 K. AMI se odnosi na stanje na zemljinoj površini, kada sunce sja direktno, intenzitet svjetlosti je oko 925 W/m2. AMI.5 odnosi se na situaciju na zemljinoj površini, kada sunce pada pod kutom od 45 stupnjeva, intenzitet svjetlosti je oko 844 W/m2. AM 1,5 općenito se koristi za predstavljanje prosječnog osvjetljenja sunčeve svjetlosti na zemljinoj površini. Model kruga solarne ćelije:

Kada nema svjetla, solarna ćelija se ponaša kao dioda pn spoja. Odnos struja-napon idealne diode može se izraziti kao

Gdje I predstavlja struju, V predstavlja napon, Is je struja zasićenja, a VT=KBT/q0, gdje KB predstavlja BoItzmannovu konstantu, q0 je jedinični električni naboj, a T je temperatura. Na sobnoj temperaturi, VT=0,026v. Treba napomenuti da je smjer struje Pn diode definiran da teče od P-tipa do n-tipa u uređaju, a pozitivne i negativne vrijednosti napona definirane su kao terminalni potencijal P-tipa minus terminalni potencijal n-tipa. Stoga, ako se slijedi ova definicija, kada solarna ćelija radi, njezina vrijednost napona je pozitivna, trenutna vrijednost je negativna, a IV krivulja je u četvrtom kvadrantu. Čitatelje ovdje moramo podsjetiti da se takozvana idealna dioda temelji na mnogim fizičkim uvjetima, a stvarne diode će prirodno imati neke neidealne čimbenike koji utječu na odnos struje i napona uređaja, kao što je struja generacije i rekombinacije, ovdje ćemo ne raspravljaj puno o tome. Kada se solarna ćelija izloži svjetlu, u pn diodi će biti fotostruje. Budući da je smjer ugrađenog električnog polja pn spoja od n-tipa do p-tipa, parovi elektron-šupljina generirani apsorpcijom fotona teći će prema kraju n-tipa, dok će rupe teći prema p-tipu -vrsta kraj. Fotostruja koju stvaraju njih dvoje teći će iz n-tipa u p-tip. Općenito, prednji smjer struje diode definiran je kao protok od p-tipa do n-tipa. Na taj način, u usporedbi s idealnom diodom, fotostruja koju stvara solarna ćelija kada je osvijetljena je negativna struja. Odnos struje i napona solarne ćelije je idealna dioda plus negativna fotostruja IL, čija je veličina:

Drugim riječima, kada nema svjetla, IL=0, solarna ćelija je samo obična dioda. Kada je solarna ćelija u kratkom spoju, odnosno V=0, struja kratkog spoja je Isc=-IL. Odnosno, kada je solarna ćelija u kratkom spoju, struja kratkog spoja je fotostruja koju stvara upadna svjetlost. Ako je solarna ćelija u otvorenom krugu, to jest, ako je I=0, njen napon u otvorenom krugu je:

Slika 2. Nadomjesna shema solarne ćelije: (a) bez, (b) sa serijskim i shunt otpornicima. Ovdje se mora naglasiti da su napon otvorenog kruga i struja kratkog spoja dva važna parametra karakteristika solarne ćelije.

Izlazna snaga solarne ćelije umnožak je struje i napona:

Očito, izlazna snaga solarne ćelije nije fiksna vrijednost. Maksimalnu vrijednost postiže u određenoj strujno-naponskoj radnoj točki, a maksimalna izlazna snaga Pmax može se odrediti s dp/dv=0. Možemo zaključiti da je izlazni napon pri maksimalnoj izlaznoj snazi ​​Pmax:

a izlazna struja je:

Maksimalna izlazna snaga solarne ćelije je:

Učinkovitost solarne ćelije odnosi se na omjer u kojem solarna ćelija pretvara snagu Pin upadne svjetlosti u maksimalnu izlaznu električnu snagu, to jest:

Opća mjerenja učinkovitosti solarnih ćelija koriste izvor svjetlosti sličan sunčevoj svjetlosti s pin=1000W/㎡.

Eksperimentalno, odnos struje i napona solarnih ćelija ne slijedi u potpunosti gornji teorijski opis. To je zato što sam fotonaponski uređaj ima takozvani serijski otpor i otpor shunta. Za bilo koji poluvodički materijal, ili kontakt između poluvodiča i metala, neizbježno će postojati veći ili manji otpor, koji će tvoriti serijski otpor fotonaponskog uređaja. S druge strane, svaki put struje osim idealne Pn diode između pozitivne i negativne elektrode fotonaponskog uređaja uzrokovat će takozvanu struju curenja, kao što je struja generacije-rekombinacije u uređaju. , struja površinske rekombinacije, nepotpuna rubna izolacija uređaja i metalni kontaktni penetracijski spoj.

Obično koristimo otpor shunta za definiranje struje curenja solarnih ćelija, to jest, Rsh=V/Ileak. Što je veći otpor šanta, manja je struja curenja. Ako uzmemo u obzir otpor zgloba Rs i otpor shunta Rsh, odnos struje i napona solarne ćelije može se napisati kao:

Također možemo koristiti samo jedan parametar, takozvani faktor punjenja, kako bismo saželi učinak serijskog otpora i otpora šanta. definirano kao:

Očito je da je faktor punjenja maksimalan ako nema serijskog otpornika, a otpor shunta je beskonačan (nema struje curenja). Svako povećanje serijskog otpora ili smanjenje otpora šanta smanjit će faktor punjenja. Na ovaj način,. Učinkovitost solarnih ćelija može se izraziti s tri važna parametra: naponom otvorenog kruga Voc, strujom kratkog spoja Isc i faktorom punjenja FF.

Očito, da bi se poboljšala učinkovitost solarne ćelije, potrebno je istovremeno povećati njen napon otvorenog kruga, struju kratkog spoja (to jest, fotostruju) i faktor punjenja (to jest, smanjiti serijski otpor i struju curenja).

Napon otvorenog kruga i struja kratkog spoja: Sudeći prema prethodnoj formuli, napon otvorenog kruga solarne ćelije određen je fotostrujom i zasićenom ćelijom. Iz perspektive fizike poluvodiča, napon otvorenog kruga jednak je razlici Fermijeve energije između elektrona i rupa u području prostornog naboja. Što se tiče struje zasićenja idealne Pn diode, možete koristiti:

izraziti. gdje q0 predstavlja jedinični naboj, ni predstavlja intrinzičnu koncentraciju nosača poluvodiča, ND i NA svaki predstavljaju koncentraciju donora i akceptora, Dn i Dp svaki predstavljaju koeficijent difuzije elektrona i šupljina, gornji izraz pretpostavlja n - Slučaj kada su i područje tipa i područje tipa p široki. Općenito, za solarne ćelije koje koriste supstrate p-tipa, područje n-tipa je vrlo plitko, a gornji izraz treba modificirati.

Ranije smo spomenuli da kada se solarna ćelija osvijetli, generira se fotostruja, a fotostruja je struja zatvorenog kruga u odnosu struja-napon solarne ćelije. Ovdje ćemo ukratko opisati nastanak fotostruje. Brzina generiranja nositelja u jedinici volumena po jedinici vremena (jedinica m -3 s -1 ) određena je koeficijentom apsorpcije svjetlosti, tj.

Među njima, α predstavlja koeficijent apsorpcije svjetlosti, što je intenzitet upadnih fotona (ili gustoću toka fotona), a R se odnosi na koeficijent refleksije, dakle predstavlja intenzitet upadnih fotona koji se ne reflektiraju. Tri glavna mehanizma koji generiraju fotostruju su: difuzijska struja manjinskih nositelja elektrona u području p-tipa, difuzijska struja manjinskih nositelja šupljina u n-tipskom području i drift elektrona i šupljina u području prostornog naboja. Trenutno. Stoga se fotostruja može približno izraziti kao:

Među njima, svaki od Ln i Lp predstavlja duljinu difuzije elektrona u području p-tipa i šupljina u području n-tipa, te je širina područja prostornog naboja. Sumirajući ove rezultate, dobivamo jednostavan izraz za napon otvorenog kruga:

gdje Vrcc predstavlja brzinu rekombinacije parova elektron-šupljina po jedinici volumena. Naravno, ovo je prirodan rezultat, jer je napon otvorenog kruga jednak razlici Fermijeve energije između elektrona i šupljina u području prostornog naboja, a razlika Fermijeve energije između elektrona i šupljina određena je brzinom generiranja nositelja i brzinom rekombinacije .