Cara kerja sel surya

Sel surya menyerap sinar matahari untuk menghasilkan fungsi baterai biasa. Namun tidak seperti baterai tradisional, tegangan keluaran dan daya keluaran maksimum baterai tradisional adalah tetap, sedangkan tegangan keluaran, arus, dan daya sel surya berkaitan dengan kondisi pencahayaan dan titik pengoperasian beban. Oleh karena itu, untuk menggunakan sel surya untuk menghasilkan listrik, Anda harus memahami hubungan arus-tegangan dan prinsip kerja sel surya.

Iluminasi spektral sinar matahari:

Sumber energi sel surya adalah sinar matahari, sehingga intensitas dan spektrum sinar matahari yang datang menentukan arus dan tegangan yang dikeluarkan oleh sel surya. Kita tahu bahwa ketika suatu benda diletakkan di bawah matahari, ia menerima sinar matahari melalui dua cara, yang pertama adalah sinar matahari langsung, dan yang lainnya adalah sinar matahari yang menyebar setelah dihamburkan oleh benda lain di permukaan. Dalam keadaan normal, cahaya datang langsung menyumbang sekitar 80% dari cahaya yang diterima oleh sel surya. Oleh karena itu, pembahasan kita berikut ini juga akan fokus pada paparan sinar matahari secara langsung.

Intensitas dan spektrum sinar matahari dapat dinyatakan dengan spektrum iradiasi, yaitu daya cahaya per satuan panjang gelombang per satuan luas (W/㎡um). Intensitas sinar matahari (W/㎡) adalah jumlah seluruh panjang gelombang spektrum iluminasi. Spektrum iluminasi sinar matahari berkaitan dengan posisi terukur dan sudut matahari relatif terhadap permukaan bumi. Hal ini dikarenakan sinar matahari akan diserap dan dihamburkan oleh atmosfer sebelum mencapai permukaan bumi. Kedua faktor posisi dan sudut umumnya diwakili oleh apa yang disebut massa udara (AM). Untuk penerangan matahari, AMO mengacu pada situasi di luar angkasa saat matahari bersinar langsung. Intensitas cahayanya sekitar 1353 W/㎡, yang kira-kira setara dengan sumber cahaya yang dihasilkan oleh radiasi benda hitam dengan suhu 5800K. AMI mengacu pada keadaan di permukaan bumi, saat matahari bersinar langsung, intensitas cahayanya sekitar 925 W/m2. AMI.5 mengacu pada keadaan di permukaan bumi, ketika matahari datang dengan sudut 45 derajat, intensitas cahayanya sekitar 844 W/m2. AM 1.5 umumnya digunakan untuk mewakili rata-rata penerangan sinar matahari di permukaan bumi. Model rangkaian sel surya:

Ketika tidak ada cahaya, sel surya berperilaku seperti dioda sambungan pn. Hubungan arus-tegangan dari dioda ideal dapat dinyatakan sebagai

Dimana I melambangkan arus, V melambangkan tegangan, Is adalah arus saturasi, dan VT=KBT/q0, dengan KB melambangkan konstanta BoItzmann, q0 adalah satuan muatan listrik, dan T adalah suhu. Pada suhu kamar, VT=0,026v. Perlu dicatat bahwa arah arus dioda Pn didefinisikan mengalir dari tipe P ke tipe n pada perangkat, dan nilai tegangan positif dan negatif didefinisikan sebagai potensial terminal tipe P. dikurangi potensial terminal tipe-n. Oleh karena itu, jika definisi ini diikuti, maka pada saat sel surya bekerja, nilai tegangannya positif, nilai arusnya negatif, dan kurva IV berada di kuadran keempat. Pembaca harus diingatkan di sini bahwa apa yang disebut dioda ideal didasarkan pada banyak kondisi fisik, dan dioda sebenarnya secara alami akan memiliki beberapa faktor nonideal yang mempengaruhi hubungan arus-tegangan perangkat, seperti arus pembangkitan-rekombinasi, di sini Kami menang' tidak banyak membahasnya. Ketika sel surya terkena cahaya maka akan terjadi arus foto pada dioda pn. Karena arah medan listrik bawaan sambungan pn adalah dari tipe-n ke tipe-p, maka pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh serapan foton akan menuju ujung tipe-n, sedangkan lubang akan menuju ke arah p. -tipe akhir. Arus foto yang dibentuk oleh keduanya akan mengalir dari tipe-n ke tipe-p. Secara umum, arah arus maju suatu dioda didefinisikan sebagai mengalir dari tipe-p ke tipe-n. Dengan cara ini, dibandingkan dengan dioda ideal, arus foto yang dihasilkan oleh sel surya ketika disinari adalah arus negatif. Hubungan arus-tegangan sel surya adalah dioda ideal ditambah arus foto negatif IL, yang besarnya adalah:

Dengan kata lain, ketika tidak ada cahaya, IL=0, sel surya hanyalah dioda biasa. Ketika sel surya dihubung pendek yaitu V=0 maka arus hubung singkatnya adalah Isc=-IL. Artinya, ketika sel surya dihubung pendek, arus hubung singkat adalah arus foto yang dihasilkan oleh cahaya datang. Jika sel surya rangkaian terbuka, yaitu jika I=0, maka tegangan rangkaian terbukanya adalah:

Gambar 2. Rangkaian ekivalen sel surya: (a) tanpa, (b) dengan resistor seri dan shunt. Harus ditekankan di sini bahwa tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat merupakan dua parameter penting dari karakteristik sel surya.

Output daya sel surya adalah hasil kali arus dan tegangan:

Jelasnya, keluaran daya yang dihasilkan oleh sel surya bukanlah nilai yang tetap. Ini mencapai nilai maksimum pada titik operasi tegangan arus tertentu, dan daya keluaran maksimum Pmax dapat ditentukan dengan dp/dv=0. Dapat kita simpulkan bahwa tegangan keluaran pada daya keluaran maksimum Pmax adalah:

dan arus keluarannya adalah:

Daya keluaran maksimum sel surya adalah:

Efisiensi sel surya mengacu pada rasio sel surya yang mengubah pin daya cahaya datang menjadi daya listrik keluaran maksimum, yaitu:

Pengukuran efisiensi sel surya secara umum menggunakan sumber cahaya yang mirip dengan sinar matahari dengan pin=1000W/㎡.

Secara eksperimental, hubungan arus-tegangan sel surya tidak sepenuhnya mengikuti gambaran teoritis di atas. Hal ini karena perangkat fotovoltaik itu sendiri memiliki resistansi seri dan resistansi shunt. Untuk bahan semikonduktor apa pun, atau kontak antara semikonduktor dan logam, pasti akan terdapat resistansi yang lebih besar atau lebih kecil, yang akan membentuk resistansi seri perangkat fotovoltaik. Di sisi lain, jalur arus apa pun selain dioda Pn ideal antara elektroda positif dan negatif perangkat fotovoltaik akan menyebabkan apa yang disebut arus bocor, seperti arus rekombinasi pembangkitan pada perangkat. , arus rekombinasi permukaan, isolasi tepi perangkat yang tidak lengkap, dan sambungan penetrasi kontak logam.

Biasanya kita menggunakan resistansi shunt untuk menentukan arus bocor sel surya, yaitu Rsh=V/Ileak. Semakin besar resistansi shunt maka arus bocor semakin kecil. Jika kita mempertimbangkan hambatan gabungan Rs dan hambatan shunt Rsh, hubungan arus-tegangan sel surya dapat ditulis sebagai:

Kita juga dapat menggunakan hanya satu parameter, yang disebut faktor pengisian, untuk meringkas efek resistansi seri dan resistansi shunt. didefinisikan sebagai:

Jelas bahwa faktor pengisian maksimum jika tidak ada resistor seri dan resistansi shunt tidak terbatas (tidak ada arus bocor). Setiap peningkatan resistansi seri atau penurunan resistansi shunt akan mengurangi faktor pengisian. Lewat sini,. Efisiensi sel surya dapat dinyatakan dengan tiga parameter penting: tegangan rangkaian terbuka Voc, arus hubung singkat Isc, dan faktor pengisian FF.

Jelasnya, untuk meningkatkan efisiensi sel surya, perlu secara bersamaan meningkatkan tegangan rangkaian terbuka, arus hubung singkat (yaitu arus foto), dan faktor pengisian (yaitu, mengurangi resistansi seri dan arus bocor).

Tegangan rangkaian terbuka dan arus hubung singkat: Dilihat dari rumus sebelumnya, tegangan rangkaian terbuka sel surya ditentukan oleh arus foto dan sel jenuh. Dari perspektif fisika semikonduktor, tegangan rangkaian terbuka sama dengan perbedaan energi Fermi antara elektron dan lubang di wilayah muatan ruang. Adapun arus saturasi dioda Pn ideal dapat digunakan:

untuk mengekspresikan. dimana q0 mewakili muatan satuan, ni mewakili konsentrasi pembawa intrinsik semikonduktor, ND dan NA masing-masing mewakili konsentrasi donor dan akseptor, Dn dan Dp masing-masing mewakili koefisien difusi elektron dan lubang, persamaan di atas mengasumsikan n - Kasus dimana wilayah tipe dan wilayah tipe-p keduanya lebar. Umumnya, untuk sel surya yang menggunakan substrat tipe-p, area tipe-n sangat dangkal, dan ekspresi di atas perlu dimodifikasi.

Kami telah menyebutkan sebelumnya bahwa ketika sel surya disinari, arus foto dihasilkan, dan arus foto adalah arus rangkaian tertutup dalam hubungan arus-tegangan sel surya. Di sini kami akan menjelaskan secara singkat asal muasal arus foto. Laju pembangkitan pembawa dalam satuan volume per satuan waktu (satuan m -3 s -1 ) ditentukan oleh koefisien serapan cahaya, yaitu

Diantaranya, α mewakili koefisien serapan cahaya, yaitu intensitas foton datang (atau kerapatan fluks foton), dan R mengacu pada koefisien refleksi, sehingga mewakili intensitas foton datang yang tidak dipantulkan. Tiga mekanisme utama yang menghasilkan arus foto adalah: arus difusi elektron pembawa minoritas di wilayah tipe-p, arus difusi lubang pembawa minoritas di wilayah tipe-n, dan pergeseran elektron dan lubang di wilayah muatan ruang. saat ini. Oleh karena itu, arus foto dapat dinyatakan sebagai:

Diantaranya, Ln dan Lp masing-masing mewakili panjang difusi elektron di daerah tipe-p dan lubang di daerah tipe-n, serta merupakan lebar daerah muatan ruang. Meringkas hasil ini, kita mendapatkan ekspresi sederhana untuk tegangan rangkaian terbuka:

di mana Vrcc mewakili laju rekombinasi pasangan lubang elektron per satuan volume. Tentu saja, hal ini merupakan hasil yang wajar, karena tegangan rangkaian terbuka sama dengan perbedaan energi Fermi antara elektron dan lubang di wilayah muatan ruang, dan perbedaan energi Fermi antara elektron dan lubang ditentukan oleh laju pembangkitan pembawa dan laju rekombinasi. .