როგორ მუშაობს მზის უჯრედები

მზის უჯრედები შთანთქავს მზის შუქს ჩვეულებრივი ბატარეების ფუნქციების შესაქმნელად. მაგრამ ტრადიციული ბატარეებისგან განსხვავებით, ტრადიციული ბატარეების გამომავალი ძაბვა და მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრე ფიქსირდება, ხოლო მზის უჯრედების გამომავალი ძაბვა, დენი და სიმძლავრე დაკავშირებულია განათების პირობებთან და დატვირთვის სამუშაო წერტილებთან. ამის გამო, ელექტროენერგიის გამომუშავებისთვის მზის ელემენტების გამოსაყენებლად, თქვენ უნდა გესმოდეთ მზის უჯრედების დენი-ძაბვის ურთიერთობა და მუშაობის პრინციპი.

მზის სინათლის სპექტრული განათება:

მზის უჯრედების ენერგიის წყარო მზის შუქია, ამიტომ მზის შუქის ინტენსივობა და სპექტრი განსაზღვრავს მზის ელემენტის დენსა და ძაბვას. ჩვენ ვიცით, რომ როდესაც ობიექტი მზის ქვეშ არის მოთავსებული, იგი იღებს მზის შუქს ორი გზით, ერთი არის მზის პირდაპირი შუქი, ხოლო მეორე არის მზის დიფუზური შუქი მას შემდეგ, რაც გაფანტულია სხვა ობიექტების ზედაპირზე. ნორმალურ პირობებში, მზის ელემენტის მიერ მიღებული შუქის დაახლოებით 80%-ს შეადგენს პირდაპირი დაცემის შუქი. ამიტომ, ჩვენი შემდეგი დისკუსია ასევე ყურადღებას გაამახვილებს მზის პირდაპირ ზემოქმედებაზე.

მზის სინათლის ინტენსივობა და სპექტრი შეიძლება გამოიხატოს სპექტრის გამოსხივებით, რაც არის სინათლის სიმძლავრე ტალღის სიგრძის ერთეულზე ფართობზე (W/㎡um). მზის შუქის ინტენსივობა (W/㎡) არის სპექტრის განათების ყველა ტალღის სიგრძის ჯამი. მზის სინათლის სპექტრის განათება დაკავშირებულია გაზომილ პოზიციასთან და მზის კუთხესთან დედამიწის ზედაპირთან მიმართებაში. ეს იმიტომ ხდება, რომ მზის შუქი შეიწოვება და გაიფანტება ატმოსფეროში, სანამ დედამიწის ზედაპირს მიაღწევს. პოზიციისა და კუთხის ორი ფაქტორი ზოგადად წარმოდგენილია ეგრეთ წოდებული ჰაერის მასით (AM). მზის განათებისთვის, AMO ეხება სიტუაციას გარე სივრცეში, როდესაც მზე პირდაპირ ანათებს. მისი სინათლის ინტენსივობა არის დაახლოებით 1353 W/㎡, რაც დაახლოებით ექვივალენტურია შავი სხეულის გამოსხივების მიერ წარმოქმნილი სინათლის წყაროს 5800K ტემპერატურით. AMI ეხება სიტუაციას დედამიწის ზედაპირზე, როდესაც მზე პირდაპირ ანათებს, სინათლის ინტენსივობა არის დაახლოებით 925 W/m2. AMI.5 ეხება სიტუაციას დედამიწის ზედაპირზე, როდესაც მზე ეცემა 45 გრადუსიანი კუთხით, სინათლის ინტენსივობა არის დაახლოებით 844 W/m2. AM 1.5 ზოგადად გამოიყენება დედამიწის ზედაპირზე მზის სინათლის საშუალო განათების წარმოსაჩენად. მზის უჯრედის მიკროსქემის მოდელი:

როდესაც არ არის შუქი, მზის ელემენტი იქცევა pn შეერთების დიოდის მსგავსად. იდეალური დიოდის დენი-ძაბვის ურთიერთობა შეიძლება გამოიხატოს როგორც

სადაც I წარმოადგენს დენს, V წარმოადგენს ძაბვას, Is არის გაჯერების დენი და VT=KBT/q0, სადაც KB წარმოადგენს BoItzmann მუდმივას, q0 არის ერთეული ელექტრული მუხტი და T არის ტემპერატურა. ოთახის ტემპერატურაზე VT=0,026ვ. უნდა აღინიშნოს, რომ Pn დიოდის დენის მიმართულება განისაზღვრება მოწყობილობაში P-ტიპიდან n-ტიპისკენ გადასადენად, ხოლო ძაბვის დადებითი და უარყოფითი მნიშვნელობები განისაზღვრება, როგორც P- ტიპის ტერმინალური პოტენციალი. მინუს n ტიპის ტერმინალური პოტენციალი. მაშასადამე, თუ ამ განმარტებას მივყვებით, როდესაც მზის ელემენტი მუშაობს, მისი ძაბვის მნიშვნელობა დადებითია, დენის მნიშვნელობა უარყოფითია და IV მრუდი მეოთხე კვადრატშია. მკითხველს აქ უნდა შევახსენოთ, რომ ეგრეთ წოდებული იდეალური დიოდი დაფუძნებულია მრავალ ფიზიკურ პირობებზე და რეალურ დიოდებს ბუნებრივია ექნებათ არაიდეალური ფაქტორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ მოწყობილობის დენი-ძაბვის ურთიერთობაზე, როგორიცაა წარმოქმნის რეკომბინაციის დენი. ბევრი არ განიხილო. როდესაც მზის ელემენტი ექვემდებარება შუქს, pn დიოდში იქნება ფოტოდენი. იმის გამო, რომ pn შეერთების ჩაშენებული ელექტრული ველის მიმართულება არის n-ტიპიდან p-ტიპამდე, ფოტონების შთანთქმის შედეგად წარმოქმნილი ელექტრონ-ხვრელების წყვილი მიემართება n-ტიპის ბოლოსკენ, ხვრელები კი - p-ისკენ. - ტიპის დასასრული. ამ ორის მიერ წარმოქმნილი ფოტოდენი მიედინება n-ტიპიდან p-ტიპში. ზოგადად, დიოდის წინა დენის მიმართულება განისაზღვრება, როგორც მიედინება p-ტიპიდან n-ტიპამდე. ამგვარად, იდეალურ დიოდთან შედარებით, მზის ელემენტის მიერ განათების დროს წარმოქმნილი ფოტოდენი არის უარყოფითი დენი. მზის ელემენტის დენი-ძაბვის მიმართება არის იდეალური დიოდი პლუს უარყოფითი ფოტოდენის IL, რომლის სიდიდეა:

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, როდესაც არ არის სინათლე, IL=0, მზის ელემენტი არის ჩვეულებრივი დიოდი. მზის ელემენტის მოკლე შერთვისას, ანუ V=0, მოკლე შერთვის დენი არის Isc=-IL. ანუ, როდესაც მზის ელემენტი მოკლედ არის შერწყმული, მოკლე შერთვის დენი არის ფოტოდენი, რომელიც წარმოიქმნება ინციდენტის სინათლის მიერ. თუ მზის ელემენტი ღია წრეშია, ანუ თუ I=0, მისი ღია წრედის ძაბვა არის:

სურათი 2. მზის ელემენტის ეკვივალენტური წრე: (ა) გარეშე, (ბ) სერიული და შუნტის რეზისტორებით. აქვე უნდა აღინიშნოს, რომ ღია წრედის ძაბვა და მოკლე ჩართვის დენი მზის ელემენტის მახასიათებლების ორი მნიშვნელოვანი პარამეტრია.

მზის ელემენტის გამომავალი სიმძლავრე არის დენის და ძაბვის პროდუქტი:

ცხადია, მზის ელემენტის გამომავალი სიმძლავრე არ არის ფიქსირებული მნიშვნელობა. ის აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას გარკვეულ დენის ძაბვის სამუშაო წერტილში და მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრე Pmax შეიძლება განისაზღვროს dp/dv=0-ით. ჩვენ შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ გამომავალი ძაბვა მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრეზე Pmax არის:

და გამომავალი დენი არის:

მზის ელემენტის მაქსიმალური გამომავალი სიმძლავრეა:

მზის ელემენტის ეფექტურობა ეხება მზის ბატარეის თანაფარდობას, რომელიც გარდაქმნის ინციდენტის შუქის სიმძლავრის პინს მაქსიმალურ გამომავალ ელექტრო ენერგიად, ანუ:

მზის ელემენტის ეფექტურობის ზოგადი გაზომვები იყენებს მზის შუქის მსგავს სინათლის წყაროს pin=1000W/㎡.

ექსპერიმენტულად, მზის უჯრედების დენი-ძაბვის ურთიერთობა სრულად არ შეესაბამება ზემოთ მოცემულ თეორიულ აღწერას. ეს იმიტომ ხდება, რომ თავად ფოტოელექტრო მოწყობილობას აქვს ეგრეთ წოდებული სერიული წინააღმდეგობა და შუნტის წინააღმდეგობა. ნებისმიერი ნახევარგამტარული მასალისთვის, ან ნახევარგამტარისა და ლითონის კონტაქტისთვის, აუცილებლად იქნება უფრო დიდი ან ნაკლები წინააღმდეგობა, რაც შექმნის ფოტოელექტრული მოწყობილობის სერიულ წინააღმდეგობას. მეორეს მხრივ, ნებისმიერი დენის გზა, გარდა იდეალური Pn დიოდისა, ფოტოელექტრული მოწყობილობის დადებით და უარყოფით ელექტროდებს შორის, გამოიწვევს ეგრეთ წოდებულ გაჟონვის დენს, როგორიცაა გენერირების რეკომბინაციის დენი მოწყობილობაში. , ზედაპირის რეკომბინაციის დენი, მოწყობილობის არასრული კიდეების იზოლაცია და ლითონის კონტაქტის შეღწევის შეერთება.

ჩვეულებრივ, ჩვენ ვიყენებთ შუნტის წინააღმდეგობას მზის უჯრედების გაჟონვის დენის დასადგენად, ანუ Rsh=V/Ileak. რაც უფრო დიდია შუნტის წინააღმდეგობა, მით უფრო მცირეა გაჟონვის დენი. თუ გავითვალისწინებთ ერთობლივ წინააღმდეგობას Rs და შუნტის წინააღმდეგობას Rsh, მზის ელემენტის დენი-ძაბვის ურთიერთობა შეიძლება დაიწეროს როგორც:

ჩვენ ასევე შეგვიძლია გამოვიყენოთ მხოლოდ ერთი პარამეტრი, ეგრეთ წოდებული შევსების ფაქტორი, რათა შევაჯამოთ როგორც სერიის წინააღმდეგობის, ისე შუნტის წინააღმდეგობის ეფექტი. განისაზღვრება როგორც:

აშკარაა, რომ შევსების ფაქტორი მაქსიმალურია, თუ არ არის სერიის რეზისტორი და შუნტის წინააღმდეგობა უსასრულოა (არ არის გაჟონვის დენი). სერიის წინააღმდეგობის ნებისმიერი ზრდა ან შუნტის წინააღმდეგობის შემცირება შეამცირებს შევსების ფაქტორს. Ამგვარად,. მზის ელემენტების ეფექტურობა შეიძლება გამოიხატოს სამი მნიშვნელოვანი პარამეტრით: ღია წრედის ძაბვა Voc, მოკლე ჩართვის დენი Isc და შევსების ფაქტორი FF.

ცხადია, მზის ელემენტის ეფექტურობის გასაუმჯობესებლად, საჭიროა ერთდროულად გაიზარდოს მისი ღია წრედის ძაბვა, მოკლე ჩართვის დენი (ანუ ფოტოდენი) და შევსების ფაქტორი (ანუ სერიის წინააღმდეგობის და გაჟონვის დენის შემცირება).

ღია წრედის ძაბვა და მოკლე ჩართვის დენი: წინა ფორმულიდან გამომდინარე, მზის ელემენტის ღია წრედის ძაბვა განისაზღვრება ფოტოდენით და გაჯერებული უჯრედით. ნახევარგამტარული ფიზიკის თვალსაზრისით, ღია წრედის ძაბვა უდრის ფერმის ენერგიის სხვაობას ელექტრონებსა და ხვრელებს შორის სივრცის მუხტის რეგიონში. რაც შეეხება იდეალური Pn დიოდის გაჯერების დენს, შეგიძლიათ გამოიყენოთ:

გამოხატოს. სადაც q0 წარმოადგენს ერთეულ მუხტს, ni წარმოადგენს ნახევარგამტარის შიდა გადამზიდავ კონცენტრაციას, ND და NA თითოეული წარმოადგენს დონორის და მიმღების კონცენტრაციას, Dn და Dp თითოეული წარმოადგენს ელექტრონების და ხვრელების დიფუზიის კოეფიციენტს, ზემოთ მოცემული გამოხატულება არის n. - შემთხვევა, როდესაც ორივე ტიპის რეგიონი და p-ტიპის რეგიონი ორივე ფართოა. ზოგადად, მზის უჯრედებისთვის, რომლებიც იყენებენ p-ტიპის სუბსტრატებს, n-ტიპის ფართობი ძალიან ზედაპირულია და ზემოაღნიშნული გამოხატულება უნდა შეიცვალოს.

ადრე აღვნიშნეთ, რომ მზის ელემენტის განათებისას წარმოიქმნება ფოტოდენი, ხოლო ფოტოდენი არის დახურული წრის დენი მზის ელემენტის დენი-ძაბვის მიმართებაში. აქ მოკლედ აღვწერთ ფოტოდინების წარმოშობას. მატარებლების წარმოქმნის სიჩქარე ერთეულ მოცულობაში ერთეულ დროს (ერთეული m -3 s -1) განისაზღვრება სინათლის შთანთქმის კოეფიციენტით, ე.ი.

მათ შორის α წარმოადგენს სინათლის შთანთქმის კოეფიციენტს, რომელიც არის ინციდენტის ფოტონების ინტენსივობა (ან ფოტონის ნაკადის სიმკვრივე), ხოლო R მიუთითებს ასახვის კოეფიციენტზე, ასე რომ, ის წარმოადგენს ინციდენტის ფოტონების ინტენსივობას, რომლებიც არ აირეკლება. სამი ძირითადი მექანიზმი, რომელიც ქმნის ფოტოდინებას, არის: უმცირესობის მატარებელი ელექტრონების დიფუზიური დენი p-ტიპის რეგიონში, უმცირესობის მატარებელი ხვრელების დიფუზიური დენი n-ტიპის რეგიონში და ელექტრონებისა და ხვრელების დრიფტი სივრცის მუხტის რეგიონში. მიმდინარე. მაშასადამე, ფოტოდინება დაახლოებით შეიძლება გამოიხატოს შემდეგნაირად:

მათ შორის, Ln და Lp თითოეული წარმოადგენს ელექტრონების დიფუზიის სიგრძეს p ტიპის რეგიონში და ხვრელების n ტიპის რეგიონში და არის სივრცის მუხტის რეგიონის სიგანე. ამ შედეგების შეჯამებით, ჩვენ ვიღებთ მარტივ გამოხატულებას ღია წრის ძაბვისთვის:

სადაც Vrcc წარმოადგენს ელექტრონ-ხვრელების წყვილების რეკომბინაციის სიჩქარეს ერთეულ მოცულობაზე. რა თქმა უნდა, ეს ბუნებრივი შედეგია, რადგან ღია წრედის ძაბვა უდრის ფერმის ენერგიის სხვაობას ელექტრონებსა და ხვრელებს შორის კოსმოსური მუხტის რეგიონში, ხოლო ფერმის ენერგიის სხვაობა ელექტრონებსა და ხვრელებს შორის განისაზღვრება მატარებლის წარმოქმნის სიჩქარით და რეკომბინაციის სიჩქარით. .