Hogyan működnek a napelemek

Napelemek elnyelik a napfényt, hogy a közönséges akkumulátorok funkcióit biztosítsák. De a hagyományos akkumulátorokkal ellentétben a hagyományos akkumulátorok kimeneti feszültsége és maximális kimeneti teljesítménye rögzített, míg a napelemek kimeneti feszültsége, áramerőssége és teljesítménye a fényviszonyokhoz és a terhelési működési pontokhoz kapcsolódik. Emiatt a napelemek villamosenergia-termelésre való használatához meg kell értenie a napelemek áram-feszültség kapcsolatát és működési elvét.

A napfény spektrális megvilágítása:

A napelemek energiaforrása a napfény, így a beeső napfény intenzitása és spektruma határozza meg a napelem által kiadott áramot és feszültséget. Tudjuk, hogy amikor egy tárgyat a nap alá helyezünk, kétféleképpen kap napfényt: az egyik közvetlen napfény, a másik pedig szórt napfény, miután más tárgyak szórják ki a felületen. Normál körülmények között a közvetlen beeső fény a napelemek által kapott fény mintegy 80%-át teszi ki. Ezért a következő beszélgetésünk a közvetlen napfénynek való kitettségre is összpontosít.

A napfény intenzitása és spektruma a spektrum besugárzással fejezhető ki, amely az egységnyi hullámhosszra jutó fényteljesítmény egységnyi területen (W/㎡um). A napfény intenzitása (W/㎡) a spektrum megvilágításának összes hullámhosszának összege. A napfény spektrum-megvilágítása a mért helyzethez és a napnak a Föld felszínéhez viszonyított szögéhez kapcsolódik. Ennek az az oka, hogy a napfényt a légkör elnyeli és szétszórja, mielőtt elérné a földfelszínt. A helyzet és a szög két tényezőjét általában az úgynevezett légtömeg (AM) jelenti. A szoláris megvilágításnál az AMO azt a helyzetet jelenti a világűrben, amikor a nap közvetlenül süt. Fényintenzitása megközelítőleg 1353 W/㎡, ami megközelítőleg egyenértékű az 5800 K hőmérsékletű feketetest-sugárzás által keltett fényforrással. Az AMI azt a helyzetet jelenti a földfelszínen, amikor a nap közvetlenül süt, a fény intenzitása körülbelül 925 W/m2. Az AMI.5 a Föld felszínén kialakult helyzetre utal, amikor a Nap 45 fokos szögben esik be, a fény intenzitása körülbelül 844 W/m2. Az AM 1.5-öt általában a napfény átlagos megvilágításának ábrázolására használják a Föld felszínén. Napelem áramkör modell:

Ha nincs fény, a napelem úgy viselkedik, mint egy pn átmenet dióda. Az ideális dióda áram-feszültség viszonya a következőképpen fejezhető ki

Ahol I az áramerősség, V a feszültség, Is a telítési áram, és VT=KBT/q0, ahol KB a BoItzmann-állandó, q0 az egységnyi elektromos töltés, T pedig a hőmérséklet. Szobahőmérsékleten VT=0,026v. Megjegyzendő, hogy a Pn dióda áramának iránya úgy van definiálva, hogy a P-típusból az n-típusba áramoljon a készülékben, és a feszültség pozitív és negatív értékei a P-típusú kapocspotenciál. mínusz az n-típusú kapocspotenciál. Ezért ha ezt a definíciót követjük, a napelem működése közben a feszültség értéke pozitív, az áramértéke negatív, és az IV görbe a negyedik negyedben van. Emlékeztetnünk kell az olvasókat, hogy az úgynevezett ideális dióda számos fizikai feltételen alapul, és a tényleges diódáknak természetesen vannak olyan nem ideális tényezői, amelyek befolyásolják az eszköz áram-feszültség viszonyát, például generálás-rekombinációs áram. ne beszélj sokat róla. Amikor a napelemet fény éri, fotoáram lesz a pn diódában. Mivel a pn átmenet beépített elektromos tériránya n-típusútól p-típusúig terjed, a fotonok abszorpciója által generált elektron-lyuk párok az n-típusú vége felé, míg a lyukak a p felé futnak. -típusú vége. A kettő által alkotott fotoáram n-típusból p-típusba fog folyni. Általában a dióda előremenő áramirányát úgy határozzuk meg, hogy p-típusból n-típusba áramlik. Ily módon egy ideális diódához képest a napelem által megvilágított fényáram negatív áram. A napelem áram-feszültség viszonya az ideális dióda plusz egy negatív fotoáram IL, amelynek nagysága:

Más szóval, amikor nincs fény, IL=0, a napelem csak egy közönséges dióda. Amikor a napelem rövidre van zárva, azaz V=0, a zárlati áram Isc=-IL. Ez azt jelenti, hogy amikor a napelem rövidre van zárva, a zárlati áram a beeső fény által generált fotoáram. Ha a napelem szakadt áramkörű, azaz ha I=0, akkor a nyitott áramköri feszültsége:

2. ábra Napelem ekvivalens kapcsolása: (a) nélkül, (b) soros és sönt ellenállásokkal. Itt hangsúlyozni kell, hogy a nyitott áramköri feszültség és a rövidzárlati áram a napelem jellemzőinek két fontos paramétere.

A napelem teljesítménye az áram és a feszültség szorzata:

Nyilvánvaló, hogy a napelem teljesítménye nem fix érték. A maximális értéket egy adott áram-feszültség üzemi ponton éri el, a Pmax maximális kimeneti teljesítmény pedig dp/dv=0-val határozható meg. Ebből arra következtethetünk, hogy a kimeneti feszültség a Pmax maximális kimeneti teljesítmény mellett:

és a kimeneti áram:

A napelem maximális kimeneti teljesítménye:

A napelem hatásfoka arra utal, hogy a napelem milyen arányban alakítja át a beeső fény Pin teljesítményét a maximális kimenő elektromos teljesítményre, azaz:

Az általános napelem-hatékonysági mérések a napfényhez hasonló fényforrást használnak, pin=1000W/㎡.

Kísérletileg a napelemek áram-feszültség viszonya nem teljesen követi a fenti elméleti leírást. Maga a fotovoltaikus eszköz ugyanis úgynevezett soros ellenállással és söntellenállással rendelkezik. Bármilyen félvezető anyagnál, vagy a félvezető és a fém érintkezésénél elkerülhetetlenül lesz kisebb-nagyobb ellenállás, amely a fotovoltaikus eszköz soros ellenállását képezi. Másrészt a fotovoltaikus eszköz pozitív és negatív elektródái között az ideális Pn-diódától eltérő bármely áramút úgynevezett szivárgási áramot okoz, például a generáló-rekombinációs áramot a készülékben. , felületi rekombinációs áram, a készülék nem teljes élszigetelése és fém érintkező áthatolási csomópont.

Általában a sönt ellenállást használjuk a napelemek szivárgó áramának meghatározására, azaz Rsh=V/Ileak. Minél nagyobb a sönt ellenállása, annál kisebb a szivárgási áram. Ha figyelembe vesszük az Rs csatlakozási ellenállást és az Rsh söntellenállást, akkor a napelem áram-feszültség kapcsolata a következőképpen írható fel:

A soros ellenállás és a söntellenállás hatásainak összegzésére is csak egy paramétert, az úgynevezett kitöltési tényezőt használhatjuk. ként meghatározott:

Nyilvánvaló, hogy a kitöltési tényező maximális, ha nincs soros ellenállás, és a sönt ellenállása végtelen (nincs szivárgási áram). A soros ellenállás növekedése vagy a söntellenállás csökkenése csökkenti a kitöltési tényezőt. Ily módon,. A napelemek hatásfoka három fontos paraméterrel fejezhető ki: a Voc szakadási feszültség, az Isc rövidzárlati áram és az FF kitöltési tényező.

Nyilvánvalóan a napelem hatékonyságának javításához egyszerre kell növelni a nyitott áramköri feszültséget, a rövidzárlati áramot (vagyis a fotoáramot) és a kitöltési tényezőt (azaz csökkenteni kell a soros ellenállást és a szivárgási áramot).

Nyitott áramköri feszültség és rövidzárlati áram: Az előző képletből ítélve a napelem szakadási feszültségét a fotoáram és a telített cella határozza meg. A félvezető fizika szempontjából a nyitott áramköri feszültség megegyezik az elektronok és a tértöltési tartományban lévő lyukak közötti Fermi-energia különbséggel. Ami az ideális Pn-dióda telítési áramát illeti, használhatja:

kifejezni. ahol q0 az egységnyi töltést, ni a félvezető belső hordozókoncentrációját, ND és NA a donor és az akceptor koncentrációját, Dn és Dp az elektronok és lyukak diffúziós együtthatóját jelenti, a fenti kifejezés n-t feltételezve - Az az eset, amikor a típusrégió és a p-típusú régió egyaránt széles. Általában a p-típusú hordozót használó napelemek esetében az n-típusú terület nagyon sekély, és a fenti kifejezést módosítani kell.

Korábban már említettük, hogy a napelem megvilágításakor fotoáram keletkezik, a fotoáram pedig a zárt áramkör a napelem áram-feszültség viszonyában. Itt röviden ismertetjük a fotoáram eredetét. A hordozók keletkezési sebességét egységnyi térfogatban egységnyi idő alatt (egység m -3 s -1 ) a fényelnyelési együttható határozza meg, azaz

Közülük az α a fényelnyelési együtthatót jelöli, ami a beeső fotonok intenzitását (vagy fotonfluxussűrűségét), az R pedig a visszaverődési együtthatót, tehát a nem visszaverődő beeső fotonok intenzitását jelenti. A három fő mechanizmus, amely fotoáramot generál: a kisebbségi hordozóelektronok diffúziós árama a p-típusú régióban, a kisebbségi hordozó-lyukak diffúziós árama az n-típusú régióban, valamint az elektronok és lyukak sodródása a tértöltési tartományban. jelenlegi. Ezért a fotoáram hozzávetőlegesen a következőképpen fejezhető ki:

Közülük Ln és Lp egyaránt az elektronok diffúziós hosszát jelenti a p-típusú tartományban és a lyukak diffúziós hosszát az n-típusú régióban, és a tértöltési tartomány szélessége. Ezeket az eredményeket összegezve egy egyszerű kifejezést kapunk a nyitott áramköri feszültségre:

ahol a Vrcc az elektron-lyuk párok térfogategységenkénti rekombinációs sebességét jelenti. Ez természetesen természetes eredmény, mert a nyitott áramköri feszültség megegyezik az elektronok és a lyukak közötti Fermi-energia különbséggel a tértöltési tartományban, az elektronok és a lyukak közötti Fermi-energia különbséget pedig a hordozógenerációs sebesség és a rekombinációs sebesség határozza meg. .