כיצד פועלים תאים סולאריים

תאים סולאריים לספוג אור שמש כדי לייצר את הפונקציות של סוללות רגילות. אך בניגוד לסוללות מסורתיות, מתח המוצא והספק המקסימלי של סוללות מסורתיות קבועים, בעוד שמתח המוצא, הזרם וההספק של תאים סולאריים קשורים לתנאי תאורה ולנקודות פעולת עומס. בגלל זה, כדי להשתמש בתאים סולאריים לייצור חשמל, עליך להבין את הקשר זרם-מתח ואת עקרון העבודה של תאים סולאריים.

תאורה ספקטרלית של אור השמש:

מקור האנרגיה של תאים סולאריים הוא אור השמש, כך שהעוצמה והספקטרום של אור השמש הנכנס קובעים את תפוקת הזרם והמתח על ידי התא הסולארי. אנו יודעים שכאשר חפץ מונח מתחת לשמש, הוא קולט אור שמש בשתי דרכים, האחד הוא אור שמש ישיר, והשני הוא אור שמש מפוזר לאחר פיזור על ידי עצמים אחרים על פני השטח. בנסיבות רגילות, אור בולט ישיר מהווה כ-80% מהאור שמקבל תא סולארי. לכן, הדיון הבא שלנו יתמקד גם בחשיפה ישירה לאור השמש.

ניתן לבטא את העוצמה והספקטרום של אור השמש באמצעות קרינת ספקטרום, שהיא עוצמת האור ליחידת אורך גל ליחידת שטח (W/㎡um). עוצמת אור השמש (W/㎡) היא הסכום של כל אורכי הגל של תאורת הספקטרום. תאורת הספקטרום של אור השמש קשורה למיקום הנמדד ולזווית השמש ביחס לפני השטח של כדור הארץ. הסיבה לכך היא שאור השמש ייספג ויתפזר באטמוספירה לפני שיגיע לפני השטח של כדור הארץ. שני הגורמים של מיקום וזווית מיוצגים בדרך כלל על ידי מה שנקרא מסת האוויר (AM). עבור תאורה סולארית, AMO מתייחס למצב בחלל החיצון כאשר השמש זורחת ישירות. עוצמת האור שלו היא בערך 1353 W/㎡, וזה שווה ערך למקור האור המופק מקרינת גוף שחור בטמפרטורה של 5800K. AMI מתייחס למצב על פני כדור הארץ, כאשר השמש זורחת ישירות, עוצמת האור היא כ-925 W/m2. AMI.5 מתייחס למצב על פני כדור הארץ, כאשר השמש נופלת בזווית של 45 מעלות, עוצמת האור היא כ-844 W/m2. AM 1.5 משמש בדרך כלל כדי לייצג את ממוצע ההארה של אור השמש על פני כדור הארץ. דגם מעגל תאים סולאריים:

כשאין אור, תא סולארי מתנהג כמו דיודת צומת pn. ניתן לבטא את היחס בין זרם-מתח של דיודה אידיאלית

כאשר I מייצג את הזרם, V מייצג את המתח, Is הוא זרם הרוויה, ו-VT=KBT/q0, כאשר KB מייצג את קבוע Boitzmann, q0 הוא המטען החשמלי של היחידה, ו-T הוא הטמפרטורה. בטמפרטורת החדר, VT=0.026v. יש לציין כי כיוון זרם דיודה Pn מוגדר לזרום מסוג P לסוג n במכשיר, והערכים החיוביים והשליליים של המתח מוגדרים כפוטנציאל הטרמינל מסוג P מינוס הפוטנציאל הטרמינל מסוג n. לכן, אם פועלים לפי הגדרה זו, כאשר התא הסולארי פועל, ערך המתח שלו חיובי, ערכו הנוכחי שלילי ועקומת ה-IV נמצאת ברביע הרביעי. יש להזכיר כאן לקוראים שהדיודה האידיאלית כביכול מבוססת על תנאים פיזיקליים רבים, ולדיודות בפועל יהיו באופן טבעי כמה גורמים לא אידיאליים המשפיעים על יחסי זרם-מתח של המכשיר, כגון זרם יצור-רקומבינציה, כאן אנחנו נזכה' לא לדון בזה הרבה. כאשר התא הסולארי נחשף לאור, יהיה זרם פוטו בדיודה pn. מכיוון שכיוון השדה החשמלי המובנה של צומת pn הוא מסוג n לסוג p, זוגות האלקטרונים-חורים הנוצרים מקליטת פוטונים יעברו לכיוון הקצה מסוג n, בעוד שהחורים יעברו לכיוון ה-p. -סוף סוג. זרם הפוטו שנוצר על ידי השניים יזרום מסוג n לסוג p. בדרך כלל, כיוון הזרם קדימה של דיודה מוגדר כזרם מסוג p לסוג n. בדרך זו, בהשוואה לדיודה אידיאלית, זרם הפוטו שנוצר על ידי תא סולארי כשהוא מואר הוא זרם שלילי. יחס הזרם-מתח של התא הסולארי הוא הדיודה האידיאלית בתוספת זרם פוטו שלילי IL, שגודלו הוא:

במילים אחרות, כאשר אין אור, IL=0, התא הסולארי הוא רק דיודה רגילה. כאשר התא הסולארי מקוצר, כלומר V=0, זרם הקצר הוא Isc=-IL. כלומר, כשהתא הסולארי מקוצר, זרם הקצר הוא זרם הפוטו שנוצר מאור בולט. אם התא הסולארי הוא במעגל פתוח, כלומר אם I=0, מתח המעגל הפתוח שלו הוא:

איור 2. מעגל שווה ערך של תא סולארי: (א) ללא, (ב) עם נגדי סדרה ו-shunt. יש להדגיש כאן שמתח מעגל פתוח וזרם קצר חשמלי הם שני פרמטרים חשובים של מאפייני תאים סולאריים.

תפוקת הכוח של תא סולארי היא תוצר של זרם ומתח:

ברור שתפוקת הכוח של התא הסולארי אינה ערך קבוע. הוא מגיע לערך המקסימלי בנקודת הפעלה מסוימת של מתח זרם, וניתן לקבוע את הספק המוצא המרבי Pmax על ידי dp/dv=0. אנו יכולים להסיק שמתח המוצא בהספק המוצא המרבי Pmax הוא:

וזרם המוצא הוא:

עוצמת המוצא המקסימלית של התא הסולארי היא:

היעילות של תא סולארי מתייחסת ליחס בין התא הסולארי הממיר את פין הכוח של האור הנכנס להספק החשמלי המקסימלי, כלומר:

מדידות יעילות תא סולארי כללי משתמשות במקור אור הדומה לאור השמש עם פין=1000W/㎡.

באופן ניסיוני, היחס בין זרם-מתח של תאים סולאריים אינו תואם לחלוטין את התיאור התיאורטי לעיל. הסיבה לכך היא שלמכשיר הפוטו-וולטאי עצמו יש מה שנקרא התנגדות סדרה והתנגדות shunt. עבור כל חומר מוליך למחצה, או מגע בין מוליך למחצה למתכת, תהיה בהכרח התנגדות גדולה או קטנה יותר, שתהווה את ההתנגדות הסדרתית של המכשיר הפוטו-וולטאי. מצד שני, כל נתיב זרם מלבד דיודת ה-Pn האידיאלית בין האלקטרודות החיוביות והשליליות של המכשיר הפוטו-וולטאי יגרום למה שנקרא זרם הדליפה, כמו זרם הדור-רקומבינציה במכשיר. , זרם ריקומבינציה פני השטח, בידוד קצה לא שלם של המכשיר וצומת חדירת מגע מתכת.

בדרך כלל, אנו משתמשים בהתנגדות shunt כדי להגדיר את זרם הדליפה של תאים סולאריים, כלומר Rsh=V/Ileak. ככל שהתנגדות השאנט גדולה יותר, כך זרם הזליגה קטן יותר. אם ניקח בחשבון את התנגדות המפרק Rs ואת התנגדות ה-shunt Rsh, ניתן לכתוב את יחס הזרם-מתח של התא הסולארי כך:

אנחנו יכולים גם להשתמש בפרמטר אחד בלבד, מה שנקרא מילוי פקטור, כדי לסכם הן את ההשפעות של התנגדות סדרה והן התנגדות shunt. מוגדר כ:

ברור שמקדם המילוי הוא מקסימלי אם אין נגד סדרתי והתנגדות השאנט אינסופית (ללא זרם דליפה). כל עלייה בהתנגדות סדרתית או ירידה בהתנגדות shunt תפחית את גורם המילוי. בדרך זו,. ניתן לבטא את היעילות של תאים סולאריים בשלושה פרמטרים חשובים: מתח מעגל פתוח Voc, זרם קצר חשמלי Isc וגורם מילוי FF.

ברור שכדי לשפר את היעילות של תא סולארי, יש צורך להגדיל בו-זמנית את מתח המעגל הפתוח שלו, את זרם הקצר (כלומר, photocurrent) ואת גורם המילוי (כלומר, להפחית את ההתנגדות הסדרתית וזרם הדליפה).

מתח מעגל פתוח וזרם קצר חשמלי: אם לשפוט מהנוסחה הקודמת, מתח המעגל הפתוח של התא הסולארי נקבע לפי זרם הפוטו והתא הרווי. מנקודת המבט של פיזיקת מוליכים למחצה, מתח המעגל הפתוח שווה להפרש אנרגית הפרמי בין אלקטרונים וחורים באזור מטען החלל. באשר לזרם הרוויה של דיודת Pn אידיאלית, אתה יכול להשתמש ב:

להביע. כאשר q0 מייצג את מטען היחידה, ni מייצג את ריכוז הנשא הפנימי של המוליך למחצה, ND ו-NA מייצגים כל אחד את ריכוז התורם והמקבל, Dn ו-Dp מייצגים כל אחד את מקדם הדיפוזיה של אלקטרונים וחורים, הביטוי לעיל הוא בהנחה של n - המקרה שבו גם אזור הטיפוס וגם האזור מסוג p הם שניהם רחבים. באופן כללי, עבור תאים סולאריים המשתמשים במצעים מסוג p, השטח מסוג n רדוד מאוד, ויש לשנות את הביטוי לעיל.

הזכרנו קודם שכאשר תא סולארי מואר, נוצר זרם פוטו, והפוטו-זרם הוא זרם המעגל הסגור ביחסי זרם-מתח של התא הסולארי. כאן נתאר בקצרה את מקור הפוטו-זרם. קצב היצירה של נשאים ביחידת נפח ליחידת זמן (יחידה m -3 s -1 ) נקבע על ידי מקדם בליעת האור, כלומר

ביניהם, α מייצג את מקדם ספיגת האור, שהוא עוצמת הפוטונים הנכנסים (או צפיפות שטף הפוטונים), ו-R מתייחס למקדם ההשתקפות, כך שהוא מייצג את עוצמת הפוטונים הבולטים שאינם מוחזרים. שלושת המנגנונים העיקריים שיוצרים זרם פוטו הם: זרם הדיפוזיה של אלקטרונים נושאי מיעוט באזור מסוג p, זרם הדיפוזיה של חורי נושאי מיעוט באזור מסוג n וסחיפה של אלקטרונים וחורים באזור מטען החלל. נוֹכְחִי. לכן, זרם הצילום יכול להתבטא בערך כך:

ביניהם, Ln ו-Lp מייצגים כל אחד את אורך הדיפוזיה של אלקטרונים באזור מסוג p וחורים באזור מסוג n, והוא הרוחב של אזור מטען החלל. לסיכום תוצאות אלו, אנו מקבלים ביטוי פשוט למתח המעגל הפתוח:

כאשר Vrcc מייצג את קצב הרקומבינציה של זוגות אלקטרונים-חורים ליחידת נפח. כמובן שזו תוצאה טבעית, מכיוון שמתח המעגל הפתוח שווה להפרש אנרגיית ה-Fermi בין אלקטרונים לחורים באזור מטען החלל, והפרש אנרגיית ה-Fermi בין אלקטרונים לחורים נקבע על ידי קצב יצירת הנשא וקצב הרקומבינציה .