太陽電池の仕組み

太陽電池太陽光を吸収して通常の電池の機能を発揮します。 しかし、従来のバッテリーとは異なり、従来のバッテリーの出力電圧と最大出力電力は固定されていますが、太陽電池の出力電圧、電流、電力は照明条件と負荷の動作点に関連しています。 このため、太陽電池を使用して発電するには、太陽電池の電流と電圧の関係と動作原理を理解する必要があります。

太陽光のスペクトル照明:

太陽電池のエネルギー源は太陽光であるため、入射太陽光の強度とスペクトルによって、太陽電池が出力する電流と電圧が決まります。 物体が太陽の下に置かれると、物体は 2 つの方法で太陽光を受けることがわかっています。1 つは直射日光、もう 1 つは表面上の他の物体によって散乱された後の拡散太陽光です。 通常の状況では、太陽電池が受け取る光の約 80% が直接入射光です。 したがって、以下の説明でも太陽光への直接曝露に焦点​​を当てます。

太陽光の強さとスペクトルは、単位面積当たりの単位波長当たりの光のパワー（W/㎡um）であるスペクトル放射照度で表すことができます。 太陽光の強度（W/㎡）は、スペクトル照明のすべての波長の合計です。 太陽光のスペクトル照度は、地球の表面に対する太陽の測定された位置と角度に関係します。 これは、太陽光が地表に到達する前に大気によって吸収および散乱されるためです。 位置と角度の 2 つの要素は、一般にいわゆる空気質量 (AM) によって表されます。 太陽照明の場合、AMO は太陽が直接輝いているときの宇宙空間の状況を指します。 その光強度は約1353 W/㎡で、温度5800Kの黒体輻射による光源とほぼ同等です。 AMI は地球の表面の状況を指し、太陽が直接輝いているときの光の強度は約 925 W/m2 です。 AMI.5 は地表の状況を指し、太陽が 45 度の角度で入射したときの光の強度は約 844 W/m2 です。 AM 1.5 は通常、地表の太陽光の平均照度を表すために使用されます。 太陽電池回路モデル:

光がないとき、太陽電池は pn 接合ダイオードのように動作します。 理想ダイオードの電流と電圧の関係は次のように表すことができます。

ここで、Ｉは電流、Ｖは電圧、Ｉｓは飽和電流、ＶＴ＝ＫＢＴ／ｑ０であり、ＫＢはボイツマン定数、ｑ０は単位電荷、Ｔは温度である。 室温では、VT=0.026v。 なお、Pnダイオードの電流の方向はデバイス内でP型からN型に流れるように定義され、電圧の正負の値はP型端子電位として定義されます。 n 型端子電位をマイナスしたものです。 したがって、この定義に従う場合、太陽電池が動作しているとき、その電圧値は正、電流値は負となり、IV 曲線は第 4 象限に存在します。 ここで読者は、いわゆる理想ダイオードは多くの物理的条件に基づいており、実際のダイオードには生成 - 再結合電流など、デバイスの電流 - 電圧関係に影響を与えるいくつかの非理想的な要素が当然含まれていることを思い出してください。あまり議論しないでください。 太陽電池が光にさらされると、pn ダイオードに光電流が発生します。 pn 接合のビルトイン電界の方向は n 型から p 型であるため、光子の吸収によって生成された電子と正孔のペアは n 型端に向かって走り、正孔は p 型端に向かって走ります。 -タイプの終わり。 2 つによって形成される光電流は、n 型から p 型に流れます。 一般に、ダイオードの順方向電流の方向は、p 型から n 型に流れると定義されます。 このように、理想ダイオードと比較すると、照射時に太陽電池によって生成される光電流は負の電流です。 太陽電池の電流と電圧の関係は、理想ダイオードに負の光電流 IL を加えたもので、その大きさは次のとおりです。

言い換えれば、光がないとき、IL=0、太陽電池は単なる普通のダイオードです。 太陽電池が短絡した場合、つまり V=0 の場合、短絡電流は Isc=-IL となります。 つまり、太陽電池が短絡した場合、短絡電流は入射光によって発生する光電流となる。 太陽電池が開回路の場合、つまり I=0 の場合、その開回路電圧は次のようになります。

図 2. 太陽電池の等価回路: (a) なし、(b) 直列抵抗とシャント抵抗あり。 ここで、開放電圧と短絡電流が太陽電池特性の 2 つの重要なパラメータであることを強調しなければなりません。

太陽電池の出力は電流と電圧の積です。

言うまでもなく、太陽電池が出力する電力は固定値ではありません。 ある電流電圧動作点で最大値に達し、最大出力電力 Pmax は dp/dv=0 で決まります。 最大出力電力 Pmax における出力電圧は次のように推定できます。

出力電流は次のようになります。

太陽電池の最大出力電力は次のとおりです。

太陽電池の効率とは、太陽電池が入射光の電力 Pin を最大出力電力に変換する比率を指します。

一般的な太陽電池の効率測定では、pin=1000W/㎡の太陽光に近い光源を使用します。

実験的には、太陽電池の電流と電圧の関係は、上記の理論的説明に完全には従いません。 これは、光起電力素子自体がいわゆる直列抵抗とシャント抵抗を持っているためです。 あらゆる半導体材料、または半導体と金属間の接触には、必然的に多かれ少なかれ抵抗が存在し、それが光起電力デバイスの直列抵抗を形成します。 一方、光起電力デバイスの正極と負極の間に理想的な Pn ダイオード以外の電流経路があると、デバイス内の生成 - 再結合電流などのいわゆる漏れ電流が発生します。 、表面再結合電流、デバイスの不完全なエッジ分離、および金属コンタクト貫通接合。

通常、シャント抵抗を使用して太陽電池の漏れ電流、つまり Rsh=V/Ileak を定義します。 シャント抵抗が大きいほど、漏れ電流は小さくなります。 結合抵抗 Rs とシャント抵抗 Rsh を考慮すると、太陽電池の電流と電圧の関係は次のように書くことができます。

また、いわゆるフィルファクターという 1 つのパラメータだけを使用して、直列抵抗とシャント抵抗の両方の影響を要約することもできます。 次のように定義されます。

直列抵抗がなく、シャント抵抗が無限大（漏れ電流がない）の場合、曲線因子が最大になることは明らかです。 直列抵抗が増加したりシャント抵抗が減少すると、曲線因子が減少します。 このようにして、。 太陽電池の効率は、開放電圧 Voc、短絡電流 Isc、曲線因子 FF という 3 つの重要なパラメータで表すことができます。

太陽電池の効率を向上させるには、明らかに、その開放電圧、短絡電流 (つまり、光電流)、および曲線因子 (つまり、直列抵抗と漏れ電流の低減) を同時に増加させる必要があります。

開放電圧と短絡電流: 前の式から判断すると、太陽電池の開放電圧は光電流と飽和セルによって決まります。 半導体物理学の観点から見ると、開路電圧は空間電荷領域の電子と正孔の間のフェルミ エネルギー差に等しくなります。 理想的な Pn ダイオードの飽和電流については、次の式を使用できます。

表現するために。 ここで、q0 は単位電荷、ni は半導体の真性キャリア濃度、ND と NA はそれぞれドナーとアクセプタの濃度、Dn と Dp はそれぞれ電子と正孔の拡散係数を表し、上式は n を仮定しています。・型領域、ｐ型領域ともに広い場合。 一般に、p 型基板を使用した太陽電池の場合、n 型領域は非常に浅いため、上記の式を修正する必要があります。

太陽電池が照射されると光電流が生成されると前述しましたが、光電流は太陽電池の電流と電圧の関係における閉回路電流です。 ここで光電流の起源について簡単に説明します。 単位時間当たりの単位体積のキャリアの生成速度 (単位 m -3 s -1 ) は、光吸収係数によって決まります。

このうち、αは入射光子の強度（または光子束密度）である光吸収係数を表し、Rは反射係数を表し、反射されなかった入射光子の強度を表します。 光電流を生成する 3 つの主なメカニズムは、p 型領域での少数キャリア電子の拡散電流、n 型領域での少数キャリア正孔の拡散電流、および空間電荷領域での電子と正孔のドリフトです。 現在。 したがって、光電流は次のように近似的に表すことができます。

このうち、Ｌｎ、Ｌｐは、ｐ型領域の電子とｎ型領域の正孔の拡散長を表し、空間電荷領域の幅である。 これらの結果を要約すると、開路電圧の簡単な式が得られます。

ここで、Vrcc は単位体積あたりの電子正孔対の再結合率を表します。 もちろん、開路電圧は空間電荷領域における電子と正孔のフェルミエネルギー差に等しく、電子と正孔のフェルミエネルギー差はキャリアの生成速度と再結合速度で決まるため、これは当然の結果です。 。