Hvernig sólarsellur virka

Sólarsellur gleypa sólarljós til að framleiða virkni venjulegra rafhlaðna. En ólíkt hefðbundnum rafhlöðum er úttaksspenna og hámarksúttaksafl hefðbundinna rafgeyma föst, en úttaksspenna, straumur og afl sólarsellna tengjast birtuskilyrðum og álagsstaði. Vegna þessa, til að nota sólarsellur til að framleiða rafmagn, verður þú að skilja straumspennusambandið og vinnuregluna um sólarsellur.

Litrófslýsing sólarljóss:

Orkugjafi sólarsellna er sólarljós, þannig að styrkleiki og litróf innfalls sólarljóss ákvarðar straum og spennu frá sólarsellunni. Við vitum að þegar hlutur er settur undir sólina fær hann sólarljós á tvo vegu, annar er beint sólarljós og hinn er dreifður sólarljós eftir að hafa verið dreift af öðrum hlutum á yfirborðinu. Undir venjulegum kringumstæðum er beint innfallsljós um 80% af því ljósi sem sólarsellu fær. Þess vegna mun eftirfarandi umfjöllun okkar einnig einbeita sér að beinni útsetningu fyrir sólarljósi.

Styrkur og litróf sólarljóss er hægt að tjá með litrófsgeislun, sem er ljósaflið á hverja bylgjulengdareiningu á flatarmálseiningu (W/㎡um). Styrkur sólarljóss (W/㎡) er summa allra bylgjulengda litrófslýsingar. Litrófslýsing sólarljóss tengist mældri stöðu og horni sólar miðað við yfirborð jarðar. Þetta er vegna þess að sólarljósið verður frásogast og dreift af lofthjúpnum áður en það nær yfirborði jarðar. Þessir tveir þættir stöðu og horn eru almennt táknaðir með svokölluðum loftmassa (AM). Fyrir sólarlýsingu vísar AMO til ástandsins í geimnum þegar sólin skín beint. Ljósstyrkur þess er um það bil 1353 W/㎡, sem jafngildir um það bil ljósgjafanum sem myndast af geislun svartkroppa með hitastigið 5800K. AMI vísar til ástandsins á yfirborði jarðar, þegar sólin skín beint er ljósstyrkurinn um 925 W/m2. AMI.5 vísar til aðstæðna á yfirborði jarðar, þegar sólin fellur inn í 45 gráðu horni er ljósstyrkurinn um 844 W/m2. AM 1,5 er almennt notað til að tákna meðallýsingu sólarljóss á yfirborði jarðar. Sólarsellu hringrás líkan:

Þegar það er ekkert ljós hegðar sér sólarsellu eins og pn junction díóða. Hægt er að tjá straumspennusamband hugsjóna díóða sem

Þar sem I táknar strauminn, V táknar spennuna, Is er mettunarstraumurinn og VT=KBT/q0, þar sem KB táknar BoItzmann-fastann, q0 er rafhleðslan og T er hitastigið. Við stofuhita, VT=0,026v. Það skal tekið fram að stefna Pn díóðustraumsins er skilgreind til að flæða frá P-gerð til n-gerð í tækinu og jákvæð og neikvæð gildi spennunnar eru skilgreind sem P-gerð tengimöguleikar mínus n-gerð endaspennu. Þess vegna, ef þessari skilgreiningu er fylgt, þegar sólarsellan er að vinna, er spennugildi hennar jákvætt, núverandi gildi hennar er neikvætt og IV ferillinn er í fjórða fjórðungi. Hér verður að minna lesendur á að hin svokallaða hugsjóna díóða byggir á mörgum líkamlegum aðstæðum og raunverulegar díóðar munu náttúrulega hafa einhverja óviðeigandi þætti sem hafa áhrif á straum-spennusamband tækisins, svo sem kynslóð-endurröðunarstraumur, hér munum við' ekki ræða það mikið. Þegar sólarsellan verður fyrir ljósi verður ljósstraumur í pn díóðunni. Vegna þess að innbyggð rafsviðsstefna pn-mótanna er frá n-gerð til p-gerð, munu rafeindaholapörin sem myndast við frásog ljóseinda hlaupa í átt að n-gerðinni en götin munu liggja í átt að p. -gerð enda. Ljósstraumurinn sem myndast af þeim tveimur mun flæða frá n-gerð til p-gerð. Almennt er framstraumsstefna díóða skilgreind sem flæði frá p-gerð til n-gerð. Á þennan hátt, samanborið við hugsjóna díóða, er ljósstraumurinn sem myndast af sólarsellu þegar hún er upplýst neikvæður straumur. Straumspennusamband sólarsellu er kjördíóða auk neikvæðs ljósstraums IL, sem er:

Með öðrum orðum, þegar það er ekkert ljós, IL=0, þá er sólarsellan bara venjuleg díóða. Þegar sólarsellan er skammhlaupin, það er V=0, er skammhlaupsstraumurinn Isc=-IL. Það er að segja að þegar sólarsellan er skammhlaupin er skammhlaupsstraumurinn ljósstraumurinn sem myndast af innfallsljósi. Ef sólarsellan er opin hringrás, það er að segja ef I=0, þá er opið rafrásarspenna hennar:

Mynd 2. Jafngildi hringrás sólarsellu: (a) án, (b) með rað- og shuntviðnámum. Hér verður að leggja áherslu á að opinn hringrásarspenna og skammhlaupsstraumur eru tveir mikilvægir þættir fyrir eiginleika sólarsellu.

Aflframleiðsla sólarsellu er afrakstur straums og spennu:

Augljóslega er afköst sólarselunnar ekki fast gildi. Það nær hámarksgildi á ákveðnum straumspennuvinnslupunkti og hámarksúttaksafl Pmax er hægt að ákvarða með dp/dv=0. Við getum ályktað að úttaksspennan við hámarks úttaksafl Pmax sé:

og úttaksstraumurinn er:

Hámarks framleiðsla afl sólarsellu er:

Skilvirkni sólarsellu vísar til hlutfalls þess að sólarsellan breytir kraftpinna innfallsljóssins í hámarksafköst raforku, það er:

Almennar mælingar á skilvirkni sólarsellu nota ljósgjafa svipað sólarljósi með pinna=1000W/㎡.

Í tilraunaskyni fylgir straumspennusamband sólarsellna ekki alveg ofangreindri fræðilegri lýsingu. Þetta er vegna þess að ljósvakabúnaðurinn sjálfur hefur svokallaða raðviðnám og shuntviðnám. Fyrir hvaða hálfleiðara efni, eða snertingu milli hálfleiðara og málms, verður óhjákvæmilega meiri eða minni viðnám, sem myndar röð viðnám ljósvakabúnaðarins. Á hinn bóginn mun hvaða straumleið sem er önnur en hin fullkomna Pn díóða milli jákvæðra og neikvæðra rafskauta ljósvakabúnaðarins valda svokölluðum lekastraumi, svo sem kynslóðar-endurröðunarstraumnum í tækinu. , yfirborðsendurröðunarstraumur, ófullkomin brún einangrun tækisins og snertimót fyrir málmsnertingu.

Venjulega notum við shunt-viðnám til að skilgreina lekastraum sólarrafrumna, það er Rsh=V/Ileak. Því meiri sem shuntviðnámið er, því minni er lekastraumurinn. Ef við skoðum sameiginlega viðnám Rs og shunt viðnám Rsh, þá er hægt að skrifa straum-spennusamband sólarselunnar sem:

Við getum líka notað aðeins eina færibreytu, svokallaðan fyllingarstuðul, til að draga saman bæði áhrif raðviðnáms og shuntviðnáms. skilgreind sem:

Það er augljóst að fyllingarstuðullinn er hámark ef það er engin raðviðnám og shuntviðnámið er óendanlegt (enginn lekastraumur). Öll aukning á röð viðnám eða lækkun á shunt mótstöðu mun draga úr fyllingarstuðlinum. Á þennan hátt,. Hægt er að tjá skilvirkni sólarsella með þremur mikilvægum breytum: opnu spennu Voc, skammhlaupsstraumi Isc og fyllingarstuðul FF.

Augljóslega, til að bæta skilvirkni sólarsellu, er nauðsynlegt að auka samtímis opnu rafrásarspennu hennar, skammhlaupsstraum (þ.e. ljósstraum) og fyllingarstuðul (það er að draga úr röð viðnám og lekastraum).

Opið rafrásarspenna og skammhlaupsstraumur: Miðað við fyrri formúlu er opið rafrásarspenna sólarsellu ákvörðuð af ljósstraumi og mettuðu frumunni. Frá sjónarhóli hálfleiðara eðlisfræði er opnu rafrásarspennan jöfn Fermi orkumun milli rafeinda og gata á geimhleðslusvæðinu. Hvað varðar mettunarstraum fyrir tilvalið Pn díóða geturðu notað:

að tjá. þar sem q0 táknar einingarhleðsluna, ni táknar innri styrkleika burðarefnis hálfleiðarans, ND og NA tákna styrk gjafans og viðtakandans, Dn og Dp tákna hvor um sig dreifingarstuðul rafeinda og gata, tjáningin hér að ofan er miðað við n - Tilvikið þar sem bæði tegundasvæðið og p-gerðarsvæðið eru bæði breitt. Almennt, fyrir sólarsellur sem nota p-gerð hvarfefni, er n-gerð svæðið mjög grunnt og þarf að breyta ofangreindri tjáningu.

Við nefndum áðan að þegar sólarsella er upplýst myndast ljósstraumur og ljósstraumurinn er lokaður hringrásarstraumur í straum-spennusambandi sólarselunnar. Hér verður stuttlega lýst uppruna ljósstraumsins. Framleiðsluhraði burðarefna í rúmmálseiningu á tímaeiningu (eining m -3 s -1 ) ræðst af ljósgleypni stuðlinum, þ.e.

Meðal þeirra táknar α frásogsstuðulinn ljóss, sem er styrkleiki innfallsljóseinda (eða ljóseindaflæðisþéttleika), og R vísar til endurkaststuðulsins, þannig að hann táknar styrk innfallsljóseinda sem endurkastast ekki. Þrír meginaðferðir sem mynda ljósstraum eru: dreifingarstraumur minnihluta burðarrafeinda á p-gerð svæði, dreifingarstraumur minnihluta burðarhola á n-gerð svæði, og rek rafeinda og hola í geimhleðslusvæði. núverandi. Þess vegna er hægt að tjá ljósstrauminn sem:

Meðal þeirra tákna Ln og Lp hvor um sig dreifingarlengd rafeinda á p-gerð svæði og holur á n-gerð svæði, og er breidd geimhleðslusvæðisins. Með því að draga þessar niðurstöður saman, fáum við einfalda tjáningu fyrir opnu rafrásarspennuna:

þar sem Vrcc táknar endurröðunarhraða rafeindaholapöra á rúmmálseiningu. Auðvitað er þetta eðlileg niðurstaða, vegna þess að opnu rafrásarspennan er jöfn Fermi orkumun milli rafeinda og gata í geimhleðslusvæðinu, og Fermi orkumunur milli rafeinda og hola ræðst af flutningshraða burðarbera og endurröðunarhraða. .