Ինչպես են աշխատում արևային մարտկոցները

Արևային բջիջներ կլանել արևի լույսը, որպեսզի արտադրի սովորական մարտկոցների գործառույթները: Բայց ի տարբերություն ավանդական մարտկոցների, ավանդական մարտկոցների ելքային լարումը և առավելագույն ելքային հզորությունը ֆիքսված են, մինչդեռ արևային բջիջների ելքային լարումը, հոսանքը և հզորությունը կապված են լուսավորության պայմանների և բեռնվածքի գործառնական կետերի հետ: Այդ իսկ պատճառով, արևային մարտկոցներ էլեկտրաէներգիա արտադրելու համար օգտագործելու համար դուք պետք է հասկանաք արևային բջիջների ընթացիկ-լարման հարաբերությունը և աշխատանքի սկզբունքը:

Արևի լույսի սպեկտրային լուսավորություն.

Արեգակնային մարտկոցների էներգիայի աղբյուրը արևի լույսն է, հետևաբար արևի լույսի ինտենսիվությունն ու սպեկտրը որոշում են արևային մարտկոցի հոսանքը և լարումը: Մենք գիտենք, որ երբ առարկան դրվում է արևի տակ, այն ստանում է արևի լույս երկու եղանակով, մեկը ուղղակի արևի լույսն է, իսկ մյուսը ցրված արևի լույսն է՝ ցրվելուց հետո այլ առարկաների կողմից մակերեսի վրա: Սովորական պայմաններում ուղիղ անկման լույսը կազմում է արևային մարտկոցի ստացած լույսի մոտ 80%-ը: Հետևաբար, մեր հաջորդ քննարկումը կկենտրոնանա նաև արևի լույսի անմիջական ազդեցության վրա:

Արևի լույսի ինտենսիվությունը և սպեկտրը կարող են արտահայտվել սպեկտրի ճառագայթման միջոցով, որը հանդիսանում է լույսի հզորությունը միավորի ալիքի երկարության համար մեկ միավորի մակերեսով (W/㎡um): Արևի լույսի ինտենսիվությունը (W/㎡) սպեկտրի լուսավորության բոլոր ալիքների երկարությունների գումարն է։ Արևի լույսի սպեկտրային լուսավորությունը կապված է չափված դիրքի և արևի անկյան հետ՝ երկրի մակերեսի նկատմամբ: Դա պայմանավորված է նրանով, որ արևի լույսը կլանվի և կցրվի մթնոլորտի կողմից մինչև երկրի մակերեսին հասնելը: Դիրքի և անկյան երկու գործոնները հիմնականում ներկայացված են այսպես կոչված օդի զանգվածով (AM): Արեգակնային լուսավորության համար AMO-ն վերաբերում է արտաքին տարածության իրավիճակին, երբ արևը ուղղակիորեն շողում է: Նրա լույսի ինտենսիվությունը մոտավորապես 1353 W/㎡ է, ինչը մոտավորապես համարժեք է լույսի աղբյուրին, որն արտադրվում է սև մարմնի ճառագայթման 5800K ջերմաստիճանով: AMI-ն վերաբերում է երկրի մակերևույթին տիրող իրավիճակին, երբ արևը ուղղակիորեն շողում է, լույսի ինտենսիվությունը կազմում է մոտ 925 Վտ/մ2: AMI.5-ը վերաբերում է երկրի մակերևույթին տիրող իրավիճակին, երբ արևը ընկնում է 45 աստիճան անկյան տակ, լույսի ինտենսիվությունը կազմում է մոտ 844 Վտ/մ2: AM 1.5-ը սովորաբար օգտագործվում է երկրի մակերեսի վրա արևի լույսի միջին լուսավորությունը ներկայացնելու համար: Արևային բջիջների միացման մոդել.

Երբ լույս չկա, արևային մարտկոցն իրեն պահում է pn միացման դիոդի նման: Իդեալական դիոդի ընթացիկ-լարման հարաբերությունը կարող է արտահայտվել այսպես

Այնտեղ, որտեղ I-ը ներկայացնում է հոսանքը, V-ը ներկայացնում է լարումը, Is-ը հագեցվածության հոսանքն է, և VT=KBT/q0, որտեղ KB-ն ներկայացնում է BoItzmann հաստատունը, q0-ը՝ միավոր էլեկտրական լիցքը, իսկ T-ն՝ ջերմաստիճանը: Սենյակային ջերմաստիճանում VT=0.026v. Հարկ է նշել, որ Pn դիոդի հոսանքի ուղղությունը որոշվում է սարքում P-տիպից n-տիպի հոսելու համար, իսկ լարման դրական և բացասական արժեքները սահմանվում են որպես P-տիպի տերմինալային ներուժ: հանած n-տիպի տերմինալ պոտենցիալը: Հետևաբար, եթե հետևենք այս սահմանմանը, երբ արևային մարտկոցը աշխատում է, նրա լարման արժեքը դրական է, ընթացիկ արժեքը՝ բացասական, իսկ IV կորը գտնվում է չորրորդ քառորդում։ Ընթերցողներին այստեղ պետք է հիշեցնել, որ այսպես կոչված իդեալական դիոդը հիմնված է բազմաթիվ ֆիզիկական պայմանների վրա, և իրական դիոդները, բնականաբար, կունենան որոշ ոչ իդեալական գործոններ, որոնք ազդում են սարքի ընթացիկ-լարման հարաբերությունների վրա, օրինակ՝ սերնդի-վերակոմբինացիոն հոսանքը, այստեղ մենք շատ չքննարկեք: Երբ արևային մարտկոցը ենթարկվում է լույսի, pn դիոդում ֆոտոհոսանք կլինի: Քանի որ pn հանգույցի ներկառուցված էլեկտրական դաշտի ուղղությունը n-տիպից p-տիպ է, էլեկտրոն-անցք զույգերը, որոնք առաջանում են ֆոտոնների կլանման արդյունքում, կշարժվեն դեպի n-տիպի ծայրը, մինչդեռ անցքերը՝ դեպի p: - տիպի վերջ: Երկուսի կողմից ձևավորված ֆոտոհոսանքը կհոսի n-տիպից դեպի p-տիպ: Ընդհանուր առմամբ, դիոդի առաջընթաց հոսանքի ուղղությունը սահմանվում է որպես p-տիպից n-տիպի հոսող: Այս կերպ, համեմատած իդեալական դիոդի հետ, արևային մարտկոցի կողմից լուսավորված լուսահոսքը բացասական հոսանք է: Արեգակնային մարտկոցի ընթացիկ-լարման հարաբերությունը իդեալական դիոդ է, գումարած բացասական ֆոտոհոսանք IL, որի մեծությունը հետևյալն է.

Այսինքն, երբ լույս չկա, IL=0, արեգակնային մարտկոցը սովորական դիոդ է։ Երբ արևային մարտկոցը կարճ միացված է, այսինքն՝ V=0, կարճ միացման հոսանքը Isc=-IL է։ Այսինքն, երբ արևային մարտկոցը կարճ միացված է, կարճ միացման հոսանքն այն ֆոտոհոսանքն է, որն առաջանում է ընկնող լույսից: Եթե ​​արևային մարտկոցը բաց միացում է, այսինքն, եթե I=0, ապա նրա բաց միացման լարումը կազմում է.

Նկար 2. Արեգակնային մարտկոցի համարժեք միացում. Այստեղ պետք է ընդգծել, որ բաց միացման լարումը և կարճ միացման հոսանքը արևային մարտկոցների բնութագրերի երկու կարևոր պարամետր են:

Արևային մարտկոցի ելքային հզորությունը հոսանքի և լարման արտադրյալն է.

Ակնհայտ է, որ արևային մարտկոցի ելքային հզորությունը հաստատուն արժեք չէ: Այն հասնում է առավելագույն արժեքին որոշակի ընթացիկ-լարման աշխատանքային կետում, իսկ առավելագույն ելքային հզորությունը Pmax կարող է որոշվել dp/dv=0-ով։ Մենք կարող ենք եզրակացնել, որ Pmax առավելագույն ելքային հզորության ելքային լարումը հետևյալն է.

իսկ ելքային հոսանքը հետևյալն է.

Արևային մարտկոցի առավելագույն ելքային հզորությունը հետևյալն է.

Արևային մարտկոցի արդյունավետությունը վերաբերում է արևային մարտկոցի հարաբերակցությանը, որը փոխակերպում է պատահական լույսի ուժային փին առավելագույն ելքային էլեկտրական հզորության, այսինքն.

Արևային բջիջների արդյունավետության ընդհանուր չափումները օգտագործում են արևի լույսի նման լույսի աղբյուր՝ քորոց=1000W/㎡:

Փորձնականորեն արեգակնային բջիջների հոսանք-լարման հարաբերությունն ամբողջությամբ չի համապատասխանում վերը նշված տեսական նկարագրությանը: Դա պայմանավորված է նրանով, որ ֆոտոգալվանային սարքն ինքնին ունի, այսպես կոչված, սերիական դիմադրություն և շունտային դիմադրություն: Ցանկացած կիսահաղորդչային նյութի կամ կիսահաղորդչի և մետաղի միջև շփման դեպքում անխուսափելիորեն կլինի ավելի մեծ կամ փոքր դիմադրություն, որը կձևավորի ֆոտոգալվանային սարքի սերիական դիմադրությունը: Մյուս կողմից, ցանկացած հոսանքի ուղի, բացի իդեալական Pn դիոդից, ֆոտոգալվանային սարքի դրական և բացասական էլեկտրոդների միջև կառաջացնի այսպես կոչված արտահոսքի հոսանք, ինչպիսին է սարքում արտադրվող-վերակոմբինացիոն հոսանքը: , մակերեսի վերահամակցման հոսանք, սարքի թերի եզրային մեկուսացում և մետաղական կոնտակտային ներթափանցման հանգույց։

Սովորաբար արևային բջիջների արտահոսքի հոսանքը սահմանելու համար մենք օգտագործում ենք շունտային դիմադրություն, այսինքն՝ Rsh=V/Ileak: Որքան մեծ է շունտի դիմադրությունը, այնքան փոքր է արտահոսքի հոսանքը: Եթե ​​հաշվի առնենք Rs համատեղ դիմադրությունը և Rsh շունտի դիմադրությունը, արևային մարտկոցի հոսանք-լարման հարաբերությունը կարող է գրվել հետևյալ կերպ.

Մենք կարող ենք նաև օգտագործել միայն մեկ պարամետր, այսպես կոչված, լրացման գործակիցը, որպեսզի ամփոփենք և՛ շարքի դիմադրության, և՛ շունտային դիմադրության ազդեցությունները: սահմանվում է որպես:

Ակնհայտ է, որ լրացման գործակիցը առավելագույնն է, եթե չկա սերիական ռեզիստոր, և շանտային դիմադրությունը անսահման է (առանց արտահոսքի հոսանքի): Սերիայի դիմադրության ցանկացած աճ կամ շունտային դիմադրության նվազում կնվազեցնի լցման գործակիցը: Այս կերպ,. Արևային մարտկոցների արդյունավետությունը կարող է արտահայտվել երեք կարևոր պարամետրով՝ բաց միացման լարման Voc, կարճ միացման հոսանքը Isc և լրացման գործակիցը FF:

Ակնհայտ է, որ արևային մարտկոցի արդյունավետությունը բարելավելու համար անհրաժեշտ է միաժամանակ բարձրացնել դրա բաց միացման լարումը, կարճ միացման հոսանքը (այսինքն՝ ֆոտոհոսանքը) և լրացման գործակիցը (այսինքն՝ նվազեցնել շարքի դիմադրությունը և արտահոսքի հոսանքը):

Բաց միացման լարումը և կարճ միացման հոսանքը. Դատելով նախորդ բանաձևից՝ արևային մարտկոցի բաց միացման լարումը որոշվում է ֆոտոհոսանքի և հագեցած բջիջի միջոցով: Կիսահաղորդիչների ֆիզիկայի տեսանկյունից բաց շղթայի լարումը հավասար է տիեզերական լիցքավորման տարածքում գտնվող էլեկտրոնների և անցքերի միջև Ֆերմի էներգիայի տարբերությանը: Ինչ վերաբերում է իդեալական Pn դիոդի հագեցվածության հոսանքին, կարող եք օգտագործել.

արտահայտել. որտեղ q0-ը ներկայացնում է միավոր լիցքը, ni-ն ներկայացնում է կիսահաղորդչի ներքին կրիչի կոնցենտրացիան, ND-ը և NA-ն ներկայացնում են դոնորի և ընդունողի կոնցենտրացիան, Dn-ը և Dp-ն ներկայացնում են էլեկտրոնների և անցքերի դիֆուզիոն գործակիցը, վերը նշված արտահայտությունը ենթադրում է n: - Այն դեպքը, երբ և՛ տիպային շրջանը, և՛ p-տիպի շրջանը երկուսն էլ լայն են: Ընդհանրապես, p-տիպի ենթաշերտեր օգտագործող արևային բջիջների համար n-տիպի տարածքը շատ մակերեսային է, և վերը նշված արտահայտությունը պետք է փոփոխվի:

Մենք ավելի վաղ նշեցինք, որ երբ արևային մարտկոցը լուսավորվում է, առաջանում է ֆոտոհոսանք, իսկ ֆոտոհոսանքը փակ շղթայի հոսանքն է արևային մարտկոցի հոսանք-լարման հարաբերակցության մեջ: Այստեղ մենք համառոտ նկարագրելու ենք ֆոտոհոսանքի ծագումը: Կրիչների առաջացման արագությունը միավորի ծավալով մեկ միավոր ժամանակում (միավոր m -3 s -1) որոշվում է լույսի կլանման գործակցով, այսինքն.

Դրանցից α-ն ներկայացնում է լույսի կլանման գործակիցը, որը հարվածող ֆոտոնների ինտենսիվությունն է (կամ ֆոտոնային հոսքի խտությունը), իսկ R-ն՝ արտացոլման գործակիցը, ուստի այն ներկայացնում է չարտացոլվող անկման ֆոտոնների ինտենսիվությունը։ Ֆոտոհոսանք առաջացնող երեք հիմնական մեխանիզմներն են՝ փոքր կրիչի էլեկտրոնների դիֆուզիոն հոսանքը p-տիպի տարածաշրջանում, փոքրամասնության կրիչ անցքերի դիֆուզիոն հոսանքը n-տիպի շրջանում և էլեկտրոնների և անցքերի շեղումը տիեզերական լիցքավորման շրջանում: ընթացիկ. Հետևաբար, ֆոտոհոսանքը մոտավորապես կարող է արտահայտվել հետևյալ կերպ.

Դրանցից Ln-ը և Lp-ը ներկայացնում են էլեկտրոնների դիֆուզիոն երկարությունը p-տիպի տարածաշրջանում և անցքերի n-տիպի տարածքում և հանդիսանում է տիեզերական լիցքավորման շրջանի լայնությունը: Ամփոփելով այս արդյունքները՝ մենք ստանում ենք բաց միացման լարման պարզ արտահայտություն.

որտեղ Vrcc-ն ներկայացնում է էլեկտրոն-անցք զույգերի վերահամակցման արագությունը միավորի ծավալով: Իհարկե, սա բնական արդյունք է, քանի որ բաց շղթայի լարումը հավասար է տիեզերական լիցքավորման գոտում գտնվող էլեկտրոնների և անցքերի միջև Ֆերմի էներգիայի տարբերությանը, իսկ էլեկտրոնների և անցքերի միջև Ֆերմի էներգիայի տարբերությունը որոշվում է կրիչի առաջացման արագությամբ և ռեկոմբինացիայի արագությամբ: .