Cara kerja sel surya

sel surya nyerep sinar matahari kanggo ngasilake fungsi baterei biasa. Nanging ora kaya baterei tradisional, voltase output lan daya output maksimal baterei tradisional tetep, dene voltase output, arus, lan daya sel surya ana gandhengane karo kahanan cahya lan titik operasi beban. Amarga iki, kanggo nggunakake sel surya kanggo ngasilake listrik, sampeyan kudu ngerti hubungan voltase saiki lan prinsip kerja sel surya.

Iluminasi spektral sinar matahari:

Sumber energi sel surya yaiku sinar matahari, mula intensitas lan spektrum sinar matahari sing kedadeyan nemtokake arus lan voltase output sel surya. Kita ngerti manawa obyek diselehake ing sangisore srengenge, dheweke nampa sinar srengenge kanthi rong cara, siji yaiku sinar srengenge langsung, lan liyane yaiku sinar matahari sing nyebar sawise kasebar dening obyek liya ing permukaan. Ing kahanan normal, cahya kedadeyan langsung kira-kira 80% saka cahya sing ditampa dening sel surya. Mula, diskusi ing ngisor iki uga bakal fokus ing cahya srengenge langsung.

Intensitas lan spektrum suryo srengenge bisa digambarake kanthi iradiance spektrum, yaiku daya cahya per unit dawa gelombang saben unit area (W / ㎡um). Intensitas cahya srengenge (W/㎡) yaiku gunggunge kabeh dawane gelombang cahya spektrum. Katerangan spektrum sinar srengenge ana gegayutane karo posisi sing diukur lan sudut srengenge relatif marang lumahing bumi. Iki amarga suryo srengenge bakal diserap lan kasebar dening atmosfer sadurunge tekan lumahing bumi. Kalih faktor posisi lan sudut umume diwakili dening massa udara (AM). Kanggo katerangan solar, AMO nuduhake kahanan ing njaba angkasa nalika srengenge langsung sumunar. Intensitas cahya kira-kira 1353 W/㎡, sing kira-kira padha karo sumber cahya sing diasilake dening radiasi awak ireng kanthi suhu 5800K. AMI nuduhake kahanan ing lumahing bumi, nalika srengenge langsung sumunar, intensitas cahya kira-kira 925 W/m2. AMI.5 nuduhake kahanan ing lumahing bumi, nalika srengenge kedadeyan ing sudut 45 derajat, intensitas cahya kira-kira 844 W/m2. AM 1.5 umume digunakake kanggo makili rata-rata cahya srengenge ing lumahing bumi. Model sirkuit sel surya:

Nalika ora ana cahya, sel surya tumindak kaya dioda pn junction. Hubungan saiki-voltase saka dioda becik bisa ditulis minangka

Where I nggantosi saiki, V nggantosi voltase, Is punika saturasi saiki, lan VT = KBT / q0, ngendi KB nggantosi konstanta BoItzmann, q0 punika daya listrik unit, lan T suhu. Ing suhu kamar, VT = 0,026v. Perlu dicathet yen arah arus dioda Pn ditemtokake kanggo mili saka P-jinis menyang n-jinis ing piranti, lan nilai positif lan negatif saka voltase ditetepake minangka potensial terminal P-jinis. minus potensial terminal tipe-n. Mulane, yen definisi iki diterusake, nalika sel surya digunakake, nilai voltase positif, nilai saiki negatif, lan kurva IV ana ing kuadran papat. Readers kudu ngelingi kene sing supaya disebut-diode becik adhedhasar akeh kondisi fisik, lan dioda nyata bakal alamiah sawetara faktor nonideal sing mengaruhi hubungan saiki-voltase piranti, kayata saiki generasi-rekombinasi, kene We menang ' t rembugan iku akeh. Nalika sel surya kapapar cahya, bakal ana photocurrent ing dioda pn. Amarga arah medan listrik sing dibangun ing persimpangan pn yaiku saka jinis-n nganti jinis-p, pasangan elektron-bolongan sing diasilake dening panyerepan foton bakal mlaku menyang ujung tipe-n, dene bolongan-bolongan kasebut bakal nyedhaki p. - jinis pungkasan. Arus foto sing dibentuk saka loro kasebut bakal mili saka jinis n menyang jinis p. Umumé, arah saiki maju saka dioda ditetepake minangka mili saka p-jinis kanggo n-jinis. Kanthi cara iki, dibandhingake karo dioda becik, arus foto sing diasilake dening sel surya nalika dipadhangi minangka arus negatif. Hubungan voltase saiki sel surya yaiku dioda becik ditambah karo arus foto negatif IL, sing gedhene:

Ing tembung liya, nalika ora ana cahya, IL = 0, sel surya mung dioda biasa. Nalika sel surya short-circuited, yaiku, V = 0, short-circuit saiki Isc = -IL. Sing ngomong, nalika sel solar short-circuited, arus short-circuit punika photocurrent diasilake dening cahya kedadean. Yen sel surya mbukak sirkuit, yaiku, yen I = 0, tegangan sirkuit mbukak yaiku:

Gambar 2. Sirkuit ekuivalen sel surya: (a) tanpa, (b) kanthi resistor seri lan shunt. Perlu ditekanake ing kene yen voltase sirkuit mbukak lan arus hubung singkat minangka rong paramèter penting saka karakteristik sel surya.

Output daya sel surya minangka produk saka arus lan voltase:

Temenan, output daya dening sel solar ora nilai tetep. Tekan nilai maksimum ing titik operasi saiki-voltase tartamtu, lan daya output maksimum Pmax bisa ditemtokake dening dp / dv = 0. Kita bisa nyimpulake yen voltase output ing daya output maksimal Pmax yaiku:

lan arus output yaiku:

Daya output maksimum sel surya yaiku:

Efisiensi sel surya nuduhake rasio sel surya sing ngowahi Pin daya saka cahya kedadeyan dadi daya listrik output maksimal, yaiku:

Pangukuran efisiensi sel surya umum nggunakake sumber cahya sing padha karo sinar srengenge kanthi pin = 1000W/㎡.

Eksperimental, hubungan saiki-voltase sel solar ora rampung ngetutake gambaran teori ing ndhuwur. Iki amarga piranti fotovoltaik dhewe duwe resistensi seri lan resistensi shunt. Kanggo materi semikonduktor apa wae, utawa kontak antarane semikonduktor lan logam, mesthi bakal ana resistensi sing luwih gedhe utawa luwih cilik, sing bakal mbentuk resistensi seri piranti fotovoltaik. Ing tangan liyane, sembarang path saiki liyane saka diode Pn becik antarane elektrods positif lan negatif saka piranti photovoltaic bakal nimbulaké supaya disebut-arus bocor, kayata saiki generasi-rekombinasi ing piranti. , arus rekombinasi permukaan, isolasi pinggiran piranti sing ora lengkap, lan persimpangan penetrasi kontak logam.

Biasane, kita nggunakake resistensi shunt kanggo nemtokake arus bocor sel surya, yaiku, Rsh = V / Ileak. Sing luwih gedhe resistensi shunt, sing luwih cilik arus bocor. Yen kita nimbang resistance gabungan Rs lan resistance shunt Rsh, hubungan saiki-voltase saka sel solar bisa ditulis minangka:

Kita uga bisa nggunakake mung siji parameter, sing disebut faktor isi, kanggo ngringkes loro efek saka resistance seri lan resistance shunt. ditetepake minangka:

Cetha yen faktor isi maksimal yen ora ana resistor seri lan resistensi shunt ora ana watese (ora ana bocor saiki). Sembarang paningkatan resistensi seri utawa nyuda resistensi shunt bakal nyuda faktor pangisi. Ing cara iki,. Efisiensi sel surya bisa dituduhake kanthi telung parameter penting: voltase sirkuit mbukak Voc, Isc arus hubung singkat, lan faktor ngisi FF.

Temenan, kanggo nambah efisiensi sel surya, perlu nambah voltase sirkuit mbukak, arus hubung singkat (yaiku photocurrent), lan faktor isi (yaiku, nyuda resistensi seri lan arus bocor).

Tegangan sirkuit mbukak lan arus hubung singkat: Ditilik saka rumus sadurunge, tegangan sirkuit mbukak sel surya ditemtokake dening arus foto lan sel jenuh. Saka perspektif fisika semikonduktor, tegangan sirkuit mbukak padha karo beda energi Fermi antarane elektron lan bolongan ing wilayah muatan spasi. Kanggo arus saturasi dioda Pn sing becik, sampeyan bisa nggunakake:

kanggo nyebut. ing ngendi q0 nggambarake muatan unit, ni nggambarake konsentrasi pembawa intrinsik semikonduktor, ND lan NA masing-masing nggambarake konsentrasi donor lan akseptor, Dn lan Dp saben nuduhake koefisien difusi elektron lan bolongan, ekspresi ing ndhuwur dianggep n. - Kasus ing ngendi wilayah jinis lan wilayah tipe-p loro-lorone jembar. Umumé, kanggo sel solar nggunakake substrat p-jinis, area n-jinis banget cethek, lan expression ndhuwur kudu diowahi.

Kita wis kasebut sadurungé sing nalika sèl solar wis murup, photocurrent digawe, lan photocurrent minangka sirkuit tertutup ing hubungan saiki-voltase saka sel solar. Ing kene kita bakal njlèntrèhaké sedhela asal saka photocurrent. Tingkat generasi operator ing volume unit per unit wektu (unit m -3 s -1 ) ditemtokake dening koefisien panyerepan cahya, yaiku

Ing antarane, α nuduhake koefisien panyerepan cahya, yaiku intensitas foton kedadeyan (utawa kerapatan fluks foton), lan R nuduhake koefisien refleksi, saengga nggambarake intensitas foton kedadeyan sing ora dibayangake. Telung mekanisme utama sing ngasilake arus foto yaiku: arus difusi elektron pembawa minoritas ing wilayah tipe-p, arus difusi bolongan pembawa minoritas ing wilayah tipe-n, lan drift elektron lan bolongan ing wilayah muatan ruang. saiki. Mulane, photocurrent bisa kira-kira ditulis minangka:

Ing antarane, Ln lan Lp saben makili dawa difusi elektron ing wilayah tipe-p lan bolongan ing wilayah tipe-n, lan jembaré wilayah muatan spasi. Ngringkes asil kasebut, kita entuk ekspresi prasaja kanggo voltase sirkuit mbukak:

ngendi Vrcc nggantosi tingkat rekombinasi pasangan elektron-bolongan saben volume unit. Mesthi, iki minangka asil alam, amarga voltase sirkuit mbukak padha karo beda energi Fermi antarane elektron lan bolongan ing wilayah daya spasi, lan beda energi Fermi antarane elektron lan bolongan ditemtokake dening tingkat generasi operator lan tingkat rekombinasi. .