Күн батареялары қалай жұмыс істейді

Күн батареялары кәдімгі батареялардың функцияларын жасау үшін күн сәулесін сіңіреді. Бірақ дәстүрлі батареялардан айырмашылығы, дәстүрлі батареялардың шығыс кернеуі мен максималды шығыс қуаты бекітілген, ал күн батареяларының шығыс кернеуі, тогы және қуаты жарықтандыру жағдайларына және жүктеме жұмыс нүктелеріне байланысты. Осыған байланысты күн батареяларын электр энергиясын өндіру үшін пайдалану үшін сіз күн батареяларының ток-кернеу қатынасын және жұмыс принципін түсінуіңіз керек.

Күн сәулесінің спектрлік жарықтандыруы:

Күн батареяларының энергия көзі күн сәулесі болып табылады, сондықтан түскен күн сәулесінің қарқындылығы мен спектрі күн батареясының ток және кернеу шығысын анықтайды. Біз затты күн астына қойғанда күн сәулесін екі жолмен алатынын білеміз, бірі тікелей күн сәулесі, екіншісі жер бетіндегі басқа заттармен шашыраңқы күн сәулесі таралатын күн сәулесі. Қалыпты жағдайда тікелей түсетін жарық күн батареясы қабылдайтын жарықтың шамамен 80% құрайды. Сондықтан біздің келесі талқылауымыз да күн сәулесінің тікелей әсеріне арналады.

Күн сәулесінің интенсивтілігі мен спектрін спектрлік сәулелену арқылы көрсетуге болады, бұл бірлік аудандағы толқын ұзындығы бірлігіне келетін жарық қуаты (Вт/㎡ум). Күн сәулесінің интенсивтілігі (Вт/㎡) спектр жарықтандыруының барлық толқын ұзындықтарының қосындысы болып табылады. Күн сәулесінің спектрлік жарықтандыруы өлшенген орынға және күннің жер бетіне қатысты бұрышына байланысты. Себебі, күн сәулесі жер бетіне жеткенше атмосфераға сіңіп, шашырап кетеді. Орын мен бұрыштың екі факторы әдетте ауа массасы (AM) деп аталады. Күн сәулесі үшін AMO күн тікелей жарқырап тұрған кезде ғарыш кеңістігіндегі жағдайды білдіреді. Оның жарық қарқындылығы шамамен 1353 Вт/㎡ құрайды, бұл шамамен 5800К температурасы бар қара дененің сәулеленуінен пайда болатын жарық көзіне тең. AMI жер бетіндегі жағдайды білдіреді, күн тікелей түскен кезде жарық қарқындылығы шамамен 925 Вт/м2 құрайды. AMI.5 жер бетіндегі жағдайды білдіреді, күн 45 градус бұрышпен түскен кезде жарық қарқындылығы шамамен 844 Вт/м2 құрайды. AM 1,5 әдетте жер бетіндегі күн сәулесінің орташа жарықтандыруын көрсету үшін қолданылады. Күн батареясының схемасының үлгісі:

Жарық болмаған кезде күн батареясы pn түйісетін диод сияқты әрекет етеді. Идеал диодтың ток-кернеу қатынасын мына түрде көрсетуге болады

Мұндағы I токты көрсетеді, V - кернеуді, Is - қанықтыру тогын және VT=KBT/q0, мұнда КБ БоИцман тұрақтысын, q0 - бірлік электр зарядын, T - температураны көрсетеді. Бөлме температурасында VT=0,026в. Айта кету керек, Pn диод тогының бағыты құрылғыдағы P-типінен n-түріне ағу үшін анықталады, ал кернеудің оң және теріс мәндері P-типті терминал потенциалы ретінде анықталады. минус n-типті терминалдық потенциал. Сондықтан, егер бұл анықтама орындалса, күн батареясы жұмыс істеген кезде оның кернеу мәні оң, ток мәні теріс, ал IV қисығы төртінші квадрантта болады. Оқырмандарға бұл жерде идеалды диодтың көптеген физикалық жағдайларға негізделгенін және нақты диодтарда құрылғының ток-кернеу қатынасына әсер ететін кейбір идеалды емес факторлар болатынын еске түсіру керек, мысалы, генерация-рекомбинациялық ток, мұнда біз жеңеміз' оны көп талқыламаңыз. Күн батареясына жарық түскенде pn диодында фототок пайда болады. pn өткелінің кіріктірілген электр өрісінің бағыты n-типінен p-түріне дейін болғандықтан, фотондардың жұтылуы нәтижесінде пайда болған электронды-саңылау жұптары n-типті ұшына қарай, ал тесіктер p-түріне қарай өтеді. -соңы түрі. Екеуінен пайда болған фототок n-түрінен p-түріне өтеді. Әдетте, диодтың тікелей ток бағыты p-түрінен n-түріне ағу ретінде анықталады. Осылайша, идеалды диодпен салыстырғанда, жарықтандыру кезінде күн батареясы тудыратын фототок теріс ток болып табылады. Күн батареясының ток-кернеу қатынасы идеалды диод плюс теріс фототок IL болып табылады, оның шамасы:

Басқаша айтқанда, жарық болмаған кезде, IL=0, күн батареясы қарапайым диод болып табылады. Күн батареясы қысқа тұйықталу кезінде, яғни V=0, қысқа тұйықталу тогы Isc=-IL болады. Яғни, күн ұяшығы қысқа тұйықталған кезде, қысқа тұйықталу тогы түскен жарықтан пайда болатын фототок болып табылады. Егер күн батареясы ашық тізбек болса, яғни I=0 болса, оның ашық тізбектегі кернеуі:

Сурет 2. Күн батареясының эквивалентті тізбегі: (а) жоқ, (б) тізбекті және шунттік резисторлары бар. Бұл жерде ашық тізбектегі кернеу мен қысқа тұйықталу тогы күн батареясының сипаттамаларының екі маңызды параметрі екенін атап өткен жөн.

Күн батареясының қуаты ток пен кернеудің көбейтіндісіне тең:

Күн батареясының шығаратын қуаты тұрақты мән емес екені анық. Ол ток кернеуінің белгілі бір жұмыс нүктесінде максималды мәнге жетеді және Pmax максималды шығыс қуатын dp/dv=0 арқылы анықтауға болады. Максималды шығыс қуаты Pmax кезінде шығыс кернеуі мынаны шығара аламыз:

және шығыс тогы:

Күн батареясының максималды қуаты:

Күн батареясының ПӘК-і күн батареясының түскен жарықтың қуатын максималды шығатын электр қуатына түрлендіру қатынасын білдіреді, яғни:

Жалпы күн батареясының тиімділігін өлшеу үшін pin=1000W/㎡ бар күн сәулесіне ұқсас жарық көзі пайдаланылады.

Эксперименттік түрде күн батареяларының ток-кернеу қатынасы жоғарыда келтірілген теориялық сипаттаманы толық орындамайды. Бұл фотоэлектрлік құрылғының өзі сериялық кедергі және шунтқа төзімділік деп аталатындығына байланысты. Кез келген жартылай өткізгіш материал үшін немесе жартылай өткізгіш пен металл арасындағы байланыс сөзсіз үлкен немесе аз кедергі болады, ол фотоэлектрлік құрылғының сериялық кедергісін құрайды. Екінші жағынан, фотоэлектрлік құрылғының оң және теріс электродтары арасындағы идеалды Pn диодтан басқа кез келген ток жолы құрылғыдағы генерация-рекомбинациялық ток сияқты ағып кету деп аталатын токты тудырады. , беттік рекомбинация тогы, құрылғының толық емес жиектерінің оқшаулануы және металл контактінің ену түйісуі.

Әдетте, біз күн батареяларының ағып кету тогын анықтау үшін шунтқа төзімділікті пайдаланамыз, яғни Rsh=V/Ileak. Маневрлік кедергі неғұрлым үлкен болса, ағып кету тогы соғұрлым аз болады. Егер қосылыс кедергісін Rs және шунт кедергісін Rsh қарастырсақ, күн батареясының ток-кернеу қатынасын былай жазуға болады:

Біз сонымен қатар сериялық кедергі мен шунт кедергісінің әсерін де қорытындылау үшін толтыру коэффициенті деп аталатын бір ғана параметрді пайдалана аламыз. ретінде анықталады:

Тізбектей резистор болмаса және шунттың кедергісі шексіз болса (ағып кету тогы жоқ) толтыру коэффициенті максималды болатыны анық. Кез келген тізбекті кедергінің жоғарылауы немесе шунт кедергісінің төмендеуі толтыру коэффициентін азайтады. Сөйтіп,. Күн батареяларының тиімділігін үш маңызды параметр арқылы көрсетуге болады: ашық тізбек кернеуі Voc, қысқа тұйықталу тогы Isc және толтыру коэффициенті FF.

Әлбетте, күн батареясының тиімділігін арттыру үшін оның ашық тұйықталу кернеуін, қысқа тұйықталу тогын (яғни фототокты) және толтыру коэффициентін (яғни, сериялық кедергі мен ағып кету тогын азайту) бір уақытта арттыру қажет.

Ашық тұйықталу кернеуі және қысқа тұйықталу тогы: Алдыңғы формулаға қарағанда, күн батареясының ашық тұйықталу кернеуі фототок пен қаныққан ұяшық арқылы анықталады. Жартылай өткізгіштер физикасы тұрғысынан ашық тізбектегі кернеу ғарыштық заряд аймағындағы электрондар мен тесіктер арасындағы Ферми энергиясының айырмашылығына тең. Идеал Pn диодтың қанықтыру тогына келетін болсақ, сіз мыналарды пайдалана аласыз:

білдіру. мұндағы q0 бірлік зарядты білдіреді, ni жартылай өткізгіштің меншікті тасымалдаушы концентрациясын, ND және NA әрқайсысы донор мен акцептордың концентрациясын, Dn және Dp әрқайсысы электрондар мен тесіктердің диффузия коэффициентін білдіреді, жоғарыдағы өрнек n деп есептелінеді. - Түр аймағының да, p-түрінің аймағының екеуі де кең болатын жағдай. Әдетте, p-типті субстраттарды пайдаланатын күн батареялары үшін n-типті аймақ өте таяз және жоғарыдағы өрнекті өзгерту қажет.

Күн батареясы жарықтандырылған кезде фототок пайда болатынын, ал фототок күн батареясының ток-кернеу қатынасындағы тұйықталған ток екенін жоғарыда айттық. Мұнда біз фототоктың пайда болуын қысқаша сипаттаймыз. Уақыт бірлігіндегі көлем бірлігіндегі тасымалдаушылардың генерациялану жылдамдығы (бірлік m -3 с -1 ) жарықты сіңіру коэффициентімен анықталады, яғни

Олардың ішінде α түскен фотондардың қарқындылығы (немесе фотон ағынының тығыздығы) болып табылатын жарық жұту коэффициентін білдіреді, ал R шағылысу коэффициентін білдіреді, сондықтан ол шағылыспайтын түскен фотондардың қарқындылығын көрсетеді. Фототокты тудыратын үш негізгі механизм: p-типті аймақтағы азшылықты тасымалдаушы электрондардың диффузиялық тогы, n-типті аймақтағы азшылық тасымалдаушы саңылаулардың диффузиялық тогы және ғарыштық заряд аймағындағы электрондар мен тесіктердің дрейфі. ток. Сондықтан фототокты шамамен мына түрде көрсетуге болады:

Олардың ішінде Ln және Lp әрқайсысы p-типті аймақтағы электрондардың диффузиялық ұзындығын және n-типті аймақтағы тесіктерді білдіреді және кеңістіктік заряд аймағының ені болып табылады. Осы нәтижелерді қорытындылай келе, біз ашық тізбектегі кернеу үшін қарапайым өрнек аламыз:

мұндағы Vrcc көлем бірлігіне электрон-тесік жұптарының рекомбинация жылдамдығын білдіреді. Әрине, бұл табиғи нәтиже, өйткені ашық тізбектегі кернеу кеңістіктік заряд аймағындағы электрондар мен саңылаулар арасындағы Ферми энергиясының айырмашылығына тең, ал электрондар мен тесіктер арасындағы Ферми энергиясының айырмашылығы тасымалдаушы генерация жылдамдығымен және рекомбинация жылдамдығымен анықталады. .