Күн батареялары кантип иштейт

Күн клеткалары кадимки батареялардын функцияларын өндүрүү үчүн күн нурун сиңирип алат. Бирок салттуу батарейкалардан айырмаланып, салттуу батареялардын чыгуу чыңалышы жана максималдуу чыгуу кубаттуулугу белгиленген, ал эми күн батареяларынын чыгыш чыңалуусу, ток жана кубаттуулугу жарыктын шарттарына жана жүктүн иштөө пункттарына байланыштуу. Ушундан улам, электр энергиясын өндүрүү үчүн күн батареяларын колдонуу үчүн, сиз күн батареяларынын учурдагы чыңалуу байланышын жана иштөө принцибин түшүнүшүңүз керек.

Күн нурунун спектрдик жарыгы:

Күн батареяларынын энергия булагы күн нуру болуп саналат, ошондуктан түшкөн күн нурунун интенсивдүүлүгү жана спектри күн батареясынын ток жана чыңалуу чыгышын аныктайт. Бир нерсе күндүн астына коюлганда эки жол менен күн нурун алаарын билебиз, бири күн нуру түз тийсе, экинчиси беттеги башка нерселер чачырагандан кийин чачыраган күн нуру болот. Кадимки шарттарда түз түшкөн жарык күн батареясы алган жарыктын 80% түзөт. Ошондуктан, биздин кийинки талкуу да күн нурунун түздөн-түз таасири жөнүндө болмокчу.

Күн нурунун интенсивдүүлүгүн жана спектрин спектрдик нурлануу менен туюнтса болот, ал бирдиктеги толкун узундугуна жарык күчү (Вт/㎡ум). Күн нурунун интенсивдүүлүгү (W/㎡) - бул спектрдин жарыктандыруунун бардык толкун узундуктарынын суммасы. Күн нурунун спектрин жарыктандыруу күндүн жер бетине карата өлчөнгөн абалына жана бурчуна байланыштуу. Себеби күн нуру жер бетине жеткенге чейин атмосферага сиңип, чачырап кетет. Орнунун жана бурчтун эки фактору жалпысынан аба массасы (AM) деп аталган менен көрсөтүлөт. Күн жарыктандыруу үчүн, AMO күн түздөн-түз жаркырап турган космостогу кырдаалды билдирет. Анын жарык интенсивдүүлүгү болжол менен 1353 Вт/㎡, бул болжол менен 5800К температурадагы кара дененин нурлануусунан пайда болгон жарык булагына барабар. AMI жер бетиндеги кырдаалды билдирет, күн түз тийип турганда, жарыктын интенсивдүүлүгү болжол менен 925 Вт/м2. AMI.5 жер бетиндеги кырдаалды билдирет, күн 45 градус бурчта түшкөндө, жарыктын интенсивдүүлүгү болжол менен 844 Вт/м2. AM 1,5 көбүнчө жер бетиндеги күн нурунун орточо жарыктыгын көрсөтүү үчүн колдонулат. Күн батареясынын схемасы:

Жарык жок болгондо, күн батареясы pn туташтыргыч диод сыяктуу иштейт. Идеалдуу диоддун ток менен чыңалуу байланышы төмөнкүчө чагылдырууга болот

I токту көрсөткөн жерде, V чыңалууну, Is - каныккан токту жана VT=KBT/q0, мында КБ БоИцман константасын, q0 - бирдик электр зарядын, Т - температураны билдирет. Бөлмө температурасында VT=0,026в. Белгилей кетсек, Pn диодунун агымынын багыты түзүлүштө P-типтен n-типке өтүү үчүн аныкталган, ал эми чыңалуунун оң жана терс маанилери P-типтүү терминалдык потенциал катары аныкталган. минус n-түрү терминалдык потенциал. Демек, бул аныктама сакталса, күн батареясы иштеп жатканда анын чыңалуусу оң, токтун мааниси терс, IV ийри сызыгы төртүнчү квадрантта болот. Окурмандардын эсине салышыбыз керек, идеалдуу диод деп аталган көптөгөн физикалык шарттарга негизделген жана чыныгы диоддордо табигый түрдө түзүлүштүн ток-чыңалуу байланышына таасир этүүчү кээ бир идеалдуу эмес факторлор болот, мисалы, муун-рекомбинация агымы. аны көп талкуулабайт. Күн батареясына жарык тийгенде, pn диодунда фототок пайда болот. Pn түйүнүнүн орнотулган электр талаасынын багыты n-типтен p-типке чейин болгондуктан, фотондордун жутулушу менен пайда болгон электрон-тешик жуптары n-типтин учуна, ал эми тешиктер p-ти көздөй өтөт. - түрү аягы. Экөө түзгөн фототок n-типтен p-типке өтөт. Жалпысынан алганда, диоддун алдыга багыты p-түрүнөн n-түрүнө агып чыгуу катары аныкталат. Ошентип, идеалдуу диод менен салыштырганда, күн батареясы жарыктанганда пайда болгон фототок терс ток болуп саналат. Күн батареясынын ток-чыңалуу байланышы идеалдуу диод плюс терс фототок IL болуп саналат, анын чоңдугу:

Башкача айтканда, жарык жок болгондо, IL=0, күн батареясы жөнөкөй диод болуп саналат. Күн батареясы кыска туташуу болгондо, башкача айтканда V=0, кыска туташуу ток Isc=-IL болот. Башкача айтканда, күн батареясы кыска туташканда, кыска туташуу агымы түшкөн жарыктан пайда болгон фототок болуп саналат. Эгерде күн батареясы ачык чынжырлуу болсо, башкача айтканда, I=0 болсо, анын ачык чынжырлуу чыңалуусу:

Сүрөт 2. Күн батареясынын эквиваленттүү схемасы: (а) жок, (б) катар жана шунттук резисторлор менен. Бул жерде ачык чынжырлуу чыңалуу жана кыска туташуу агымы күн батареясынын мүнөздөмөлөрүнүн эки маанилүү параметри экендигин баса белгилей кетүү керек.

Күн батареясынын кубаттуулугу ток менен чыңалууга жараша болот:

Албетте, күн батареясынын кубаттуулугу туруктуу мааниге ээ эмес. Ал белгилүү бир ток-чыңалуу иштөө чекитинде максималдуу мааниге жетет жана максималдуу чыгуу кубаттуулугу Pmax dp/dv=0 менен аныкталышы мүмкүн. Биз максималдуу чыгуу кубаттуулугу Pmax боюнча чыгуу чыңалуу болуп саналат:

жана чыгаруу ток болуп саналат:

Күн батареясынын максималдуу кубаттуулугу:

Күн батареясынын эффективдүүлүгү күн батареясынын түшкөн жарыктын пинин максималдуу чыгуучу электр энергиясына айландыруучу катышын билдирет, башкача айтканда:

Жалпы күн батареясынын эффективдүүлүгүн өлчөө пин=1000W/㎡ менен күн нуруна окшош жарык булагын колдонушат.

Эксперименталдык түрдө күн батареяларынын ток менен чыңалуу байланышы жогоруда келтирилген теориялык сыпаттамага толук ылайык келбейт. Себеби фотоэлектрдик түзүлүштүн өзү сериялык каршылык жана шунттук каршылык деп аталган нерсеге ээ. Кандайдыр бир жарым өткөргүч материал же жарым өткөргүч менен металлдын контакты үчүн сөзсүз түрдө аздыр-көптүр каршылык болот, ал фотоэлектрдик түзүлүштүн сериялык каршылыгын түзөт. Башка жагынан алганда, фотоэлектрдик түзүлүштүн оң жана терс электроддорунун ортосундагы идеалдуу Pn диоддон башка ар кандай ток жолу, аппараттагы муун-рекомбинация агымы сыяктуу агып кетүү агымын пайда кылат. , беттик рекомбинация агымы, аппараттын толук эмес четинен обочолонуу жана металл контактынын өтүүсү.

Адатта, биз күн батареяларынын агып кетүү агымын аныктоо үчүн шунттук каршылыкты колдонобуз, башкача айтканда, Rsh=V/Ileak. Шунттун каршылыгы канчалык чоң болсо, агып чыгуу агымы ошончолук аз болот. Эгерде биргелешкен каршылык Rs жана шунттук каршылык Rsh карасак, күн батареясынын ток менен чыңалуу байланышын төмөнкүчө жазууга болот:

Биз ошондой эле катар каршылыктын жана шунттук каршылыктын эффекттерин жалпылоо үчүн толтуруу фактору деп аталган бир гана параметрди колдоно алабыз. катары аныкталат:

Катарлуу резистор жок болсо жана шунттук каршылык чексиз болсо, толтуруу коэффициенти максимум боло турганы айдан ачык. Катардагы каршылыктын ар кандай жогорулашы же шунттук каршылыктын азайышы толтуруу факторун азайтат. Бул жол менен,. Күн батареяларынын эффективдүүлүгү үч маанилүү параметр менен көрсөтүлүшү мүмкүн: ачык чынжырлуу чыңалуу Voc, кыска туташуу токунун Isc жана толтуруу фактору FF.

Албетте, күн батареясынын эффективдүүлүгүн жогорулатуу үчүн бир эле учурда анын ачык чынжырлуу чыңалуусун, кыска туташуу тогун (б.а. фототок) жана толтуруу факторун (б.а. катар каршылыкты жана агып чыгуу тогун азайтуу) жогорулатуу керек.

Ачык чынжырлуу чыңалуу жана кыска туташуу агымы: Мурунку формулага таянсак, күн батареясынын ачык чынжырлуу чыңалышы фототок жана каныккан клетка менен аныкталат. Жарым өткөргүчтөрдүн физикасынын көз карашынан алганда, ачык чынжыр чыңалуу мейкиндик заряд аймагындагы электрондор менен тешиктердин ортосундагы Fermi энергия айырмасына барабар. идеалдуу Pn диоддун каныккан агымына келсек, сиз колдоно аласыз:

билдирүү. мында q0 бирдик зарядды билдирет, ni жарым өткөргүчтүн ички алып жүрүүчү концентрациясын, ND жана NA ар бири донордун жана акцептордун концентрациясын билдирет, Dn жана Dp ар бири электрондордун жана тешиктердин диффузия коэффициентин билдирет, жогорудагы туюнтма n деп кабыл алынат. - тип аймагы да, p-тип аймагы да кең болгон учур. Жалпысынан алганда, p-түрү субстраттарды колдонуу күн батареялары үчүн, n-түрү аянты абдан тайыз болуп саналат, жана жогоруда айтылган сөздү өзгөртүү керек.

Күн батареясы жарыктанганда фототок пайда болоорун, ал эми фототок күн батареясынын ток менен чыңалуу байланышындагы жабык чынжырлуу ток экенин жогоруда айтканбыз. Бул жерде биз фототоктун келип чыгышын кыскача баяндайбыз. Убакыттын бирдигине көлөмдө алып жүрүүчүлөрдүн жаралуу ылдамдыгы (бирдиги м -3 с -1 ) жарыкты жутуу коэффициенти менен аныкталат, б.а.

Алардын ичинен α жарыкты жутуу коэффициентин билдирет, ал түшкөн фотондордун интенсивдүүлүгүн (же фотон агымынын тыгыздыгын), ал эми R чагылуу коэффициентин билдирет, ошондуктан ал чагылбаган түшкөн фотондордун интенсивдүүлүгүн билдирет. Фототокту жаратуучу үч негизги механизм болуп төмөнкүлөр саналат: p-тип аймагындагы азчылыкты алып жүрүүчү электрондордун диффузиялык агымы, n-типтеги аймактагы азчылык алып жүрүүчү тешиктердин диффузиялык агымы жана космостук заряд аймагындагы электрондордун жана тешиктердин дрейфи. ток. Демек, фототок болжол менен төмөнкүчө чагылдырууга болот:

Алардын ичинен Ln жана Lp ар бири p-тибиндеги аймактагы электрондордун диффузия узундугун жана n-тибиндеги тешикчелерди билдирет жана мейкиндик заряд аймагынын туурасы болуп саналат. Бул жыйынтыктарды жалпылап, биз ачык чынжыр чыңалуу үчүн жөнөкөй туюнтманы алабыз:

мында Vrcc көлөмүнүн бирдигине электрон-тешик жуптарынын рекомбинация ылдамдыгын билдирет. Албетте, бул табигый натыйжа, анткени ачык чынжырдагы чыңалуу мейкиндик заряд аймагындагы электрондор менен тешиктердин ортосундагы Fermi энергия айырмасына барабар, ал эми электрондор менен тешиктердин ортосундагы Fermi энергия айырмасы ташуучу генерация ылдамдыгы жана рекомбинация ылдамдыгы менен аныкталат. .