Come funzionano le celle solari

Celle solari assorbire la luce solare per produrre le funzioni delle normali batterie. Ma a differenza delle batterie tradizionali, la tensione di uscita e la potenza massima di uscita delle batterie tradizionali sono fisse, mentre la tensione di uscita, la corrente e la potenza delle celle solari sono legate alle condizioni di illuminazione e ai punti operativi del carico. Per questo motivo, per utilizzare le celle solari per generare elettricità, è necessario comprendere la relazione corrente-tensione e il principio di funzionamento delle celle solari.

Illuminazione spettrale della luce solare:

La fonte di energia delle celle solari è la luce solare, quindi l'intensità e lo spettro della luce solare incidente determinano la corrente e la tensione emesse dalla cella solare. Sappiamo che quando un oggetto è posto sotto il sole, riceve la luce solare in due modi, uno è la luce solare diretta e l'altro è la luce solare diffusa dopo essere stata diffusa da altri oggetti sulla superficie. In circostanze normali, la luce incidente diretta rappresenta circa l’80% della luce ricevuta da una cella solare. Pertanto, la nostra discussione successiva si concentrerà anche sull’esposizione diretta alla luce solare.

L'intensità e lo spettro della luce solare possono essere espressi mediante l'irradianza dello spettro, che è la potenza luminosa per unità di lunghezza d'onda per unità di area (W/㎡um). L'intensità della luce solare (W/㎡) è la somma di tutte le lunghezze d'onda dell'illuminazione dello spettro. L'illuminazione dello spettro della luce solare è correlata alla posizione misurata e all'angolo del sole rispetto alla superficie terrestre. Questo perché la luce solare verrà assorbita e diffusa dall'atmosfera prima di raggiungere la superficie terrestre. I due fattori posizione e angolo sono generalmente rappresentati dalla cosiddetta massa d'aria (AM). Per l'illuminazione solare, AMO si riferisce alla situazione nello spazio quando il sole splende direttamente. La sua intensità luminosa è di circa 1353 W/㎡, che equivale approssimativamente alla sorgente luminosa prodotta dalla radiazione del corpo nero con una temperatura di 5800K. L'AMI si riferisce alla situazione sulla superficie terrestre, quando il sole splende direttamente, l'intensità della luce è di circa 925 W/m2. AMI.5 si riferisce alla situazione sulla superficie terrestre, quando il sole incide con un angolo di 45 gradi, l'intensità della luce è di circa 844 W/m2. AM 1.5 viene generalmente utilizzato per rappresentare l'illuminazione media della luce solare sulla superficie terrestre. Modello di circuito a celle solari:

Quando non c'è luce, una cella solare si comporta come un diodo a giunzione pn. La relazione corrente-tensione di un diodo ideale può essere espressa come

Dove I rappresenta la corrente, V rappresenta la tensione, Is è la corrente di saturazione e VT=KBT/q0, dove KB rappresenta la costante di BoItzmann, q0 è la carica elettrica unitaria e T è la temperatura. A temperatura ambiente, VT=0,026v. Va notato che la direzione della corrente del diodo Pn è definita in modo che fluisca da tipo P a tipo n nel dispositivo e i valori positivo e negativo della tensione sono definiti come potenziale del terminale di tipo P meno il potenziale terminale di tipo n. Pertanto, se si segue questa definizione, quando la cella solare è in funzione, il suo valore di tensione è positivo, il suo valore di corrente è negativo e la curva IV si trova nel quarto quadrante. È necessario ricordare ai lettori che il cosiddetto diodo ideale si basa su molte condizioni fisiche e che i diodi reali avranno naturalmente alcuni fattori non ideali che influenzano la relazione corrente-tensione del dispositivo, come la corrente di generazione-ricombinazione, qui non lo faremo Non discuterne molto. Quando la cella solare è esposta alla luce, nel diodo pn sarà presente fotocorrente. Poiché la direzione del campo elettrico incorporato nella giunzione pn va dal tipo n al tipo p, le coppie elettrone-lacuna generate dall'assorbimento dei fotoni correranno verso l'estremità di tipo n, mentre le lacune correranno verso l'estremità p -tipo fine. La fotocorrente formata dai due fluirà dal tipo n al tipo p. Generalmente, la direzione della corrente diretta di un diodo è definita come il flusso dal tipo p al tipo n. In questo modo, rispetto ad un diodo ideale, la fotocorrente generata da una cella solare quando è illuminata è una corrente negativa. La relazione corrente-tensione della cella solare è il diodo ideale più una fotocorrente negativa IL, la cui grandezza è:

In altre parole, quando non c'è luce, IL=0, la cella solare è semplicemente un normale diodo. Quando la cella solare è cortocircuitata, cioè V=0, la corrente di cortocircuito è Isc=-IL. Vale a dire, quando la cella solare è cortocircuitata, la corrente di cortocircuito è la fotocorrente generata dalla luce incidente. Se la cella solare è a circuito aperto, cioè se I=0, la sua tensione a circuito aperto è:

Figura 2. Circuito equivalente della cella solare: (a) senza, (b) con resistori in serie e shunt. Va sottolineato qui che la tensione a circuito aperto e la corrente di cortocircuito sono due parametri importanti delle caratteristiche della cella solare.

La potenza erogata da una cella solare è il prodotto di corrente e tensione:

Ovviamente, la potenza erogata dalla cella solare non è un valore fisso. Raggiunge il valore massimo in un determinato punto operativo corrente-tensione e la potenza di uscita massima Pmax può essere determinata da dp/dv=0. Possiamo dedurre che la tensione di uscita alla massima potenza di uscita Pmax è:

e la corrente in uscita è:

La potenza massima in uscita dalla cella solare è:

L'efficienza di una cella solare si riferisce al rapporto tra la cella solare che converte il pin di potenza della luce incidente nella massima potenza elettrica in uscita, ovvero:

Le misurazioni generali dell'efficienza delle celle solari utilizzano una sorgente luminosa simile alla luce solare con pin=1000 W/㎡.

Sperimentalmente, la relazione corrente-tensione delle celle solari non segue completamente la descrizione teorica di cui sopra. Questo perché il dispositivo fotovoltaico stesso è dotato della cosiddetta resistenza in serie e resistenza shunt. Per qualsiasi materiale semiconduttore, ovvero per il contatto tra un semiconduttore ed un metallo, esisterà inevitabilmente una resistenza maggiore o minore, che andrà a formare la resistenza in serie del dispositivo fotovoltaico. D'altra parte, qualsiasi percorso di corrente diverso dal diodo Pn ideale tra gli elettrodi positivo e negativo del dispositivo fotovoltaico causerà la cosiddetta corrente di dispersione, come la corrente di generazione-ricombinazione nel dispositivo. , corrente di ricombinazione superficiale, isolamento incompleto del bordo del dispositivo e giunzione di penetrazione del contatto metallico.

Di solito, utilizziamo la resistenza di shunt per definire la corrente di dispersione delle celle solari, ovvero Rsh=V/Ileak. Maggiore è la resistenza di shunt, minore è la corrente di dispersione. Se consideriamo la resistenza congiunta Rs e la resistenza di shunt Rsh, la relazione corrente-tensione della cella solare può essere scritta come:

Possiamo anche utilizzare un solo parametro, il cosiddetto fattore di riempimento, per riassumere sia gli effetti della resistenza in serie che della resistenza di shunt. definito come:

È ovvio che il fattore di riempimento è massimo se non è presente alcun resistore in serie e la resistenza di shunt è infinita (nessuna corrente di dispersione). Qualsiasi aumento della resistenza in serie o diminuzione della resistenza dello shunt ridurrà il fattore di riempimento. In questo modo,. L'efficienza delle celle solari può essere espressa da tre parametri importanti: tensione a circuito aperto Voc, corrente di cortocircuito Isc e fattore di riempimento FF.

Ovviamente, per migliorare l'efficienza di una cella solare, è necessario aumentare contemporaneamente la tensione a circuito aperto, la corrente di cortocircuito (ovvero la fotocorrente) e il fattore di riempimento (ovvero ridurre la resistenza in serie e la corrente di dispersione).

Tensione a circuito aperto e corrente di cortocircuito: A giudicare dalla formula precedente, la tensione a circuito aperto della cella solare è determinata dalla fotocorrente e dalla cella satura. Dal punto di vista della fisica dei semiconduttori, la tensione a circuito aperto è uguale alla differenza energetica di Fermi tra elettroni e lacune nella regione di carica spaziale. Per quanto riguarda la corrente di saturazione di un diodo Pn ideale si può utilizzare:

esprimere. dove q0 rappresenta la carica unitaria, ni rappresenta la concentrazione intrinseca del portatore del semiconduttore, ND e NA rappresentano ciascuno la concentrazione del donatore e dell'accettore, Dn e Dp rappresentano ciascuno il coefficiente di diffusione di elettroni e lacune, l'espressione sopra presuppone n - Il caso in cui sia la regione di tipo che la regione di tipo p sono entrambe larghe. Generalmente, per le celle solari che utilizzano substrati di tipo p, l'area di tipo n è molto superficiale e l'espressione di cui sopra deve essere modificata.

Abbiamo accennato in precedenza che quando una cella solare è illuminata, viene generata una fotocorrente e la fotocorrente è la corrente a circuito chiuso nella relazione corrente-tensione della cella solare. Qui descriveremo brevemente l'origine della fotocorrente. La velocità di generazione dei portatori nell'unità di volume per unità di tempo (unità m -3 s -1 ) è determinata dal coefficiente di assorbimento della luce, cioè

Tra questi, α rappresenta il coefficiente di assorbimento della luce, che è l'intensità dei fotoni incidenti (o densità del flusso di fotoni), e R si riferisce al coefficiente di riflessione, quindi rappresenta l'intensità dei fotoni incidenti che non vengono riflessi. I tre meccanismi principali che generano la fotocorrente sono: la corrente di diffusione degli elettroni dei portatori minoritari nella regione di tipo p, la corrente di diffusione delle lacune dei portatori minoritari nella regione di tipo n e la deriva degli elettroni e delle lacune nella regione di carica spaziale. attuale. Pertanto la fotocorrente può essere approssimativamente espressa come:

Tra questi, Ln e Lp rappresentano ciascuno la lunghezza di diffusione degli elettroni nella regione di tipo p e delle lacune nella regione di tipo n, ed è la larghezza della regione di carica spaziale. Riassumendo questi risultati, otteniamo una semplice espressione per la tensione a circuito aperto:

dove Vrcc rappresenta il tasso di ricombinazione delle coppie elettrone-lacuna per unità di volume. Naturalmente, questo è un risultato naturale, perché la tensione a circuito aperto è uguale alla differenza di energia di Fermi tra elettroni e lacune nella regione di carica spaziale, e la differenza di energia di Fermi tra elettroni e lacune è determinata dalla velocità di generazione dei portatori e dalla velocità di ricombinazione .