Wéi Solarzellen funktionnéieren

Solarzellen Sonneliicht absorbéieren fir d'Funktioune vun normale Batterien ze produzéieren. Awer am Géigesaz zu traditionelle Batterien sinn d'Ausgangsspannung a maximal Ausgangskraaft vun traditionelle Batterien fixéiert, während d'Ausgangsspannung, Stroum a Kraaft vu Solarzellen mat Beliichtungsbedéngungen a Laaschtbetribspunkte verbonne sinn. Dofir, fir Solarzellen ze benotzen fir Elektrizitéit ze generéieren, musst Dir d'Stroum-Spannungsverhältnis an d'Aarbechtsprinzip vu Solarzellen verstoen.

Spektral Beliichtung vum Sonneliicht:

D'Energiequell vun de Solarzellen ass Sonneliicht, sou datt d'Intensitéit an d'Spektrum vum infallende Sonneliicht de Stroum a Spannungsausgang vun der Solarzell bestëmmen. Mir wëssen datt wann en Objet ënner der Sonn plazéiert ass, et Sonneliicht op zwou Weeër kritt, eng ass direkt Sonneliicht, an déi aner ass diffus Sonneliicht nodeems se vun aneren Objeten op der Uewerfläch verspreet ginn. Ënner normalen Ëmstänn stellt direkt infallend Liicht ongeféier 80% vum Liicht aus, dat vun enger Sonnenzell opgeholl gëtt. Dofir wäert eis folgend Diskussioun och op direktem Belaaschtung fir Sonneliicht konzentréieren.

D'Intensitéit an d'Spektrum vum Sonneliicht kënnen duerch Spektrumstrahlung ausgedréckt ginn, wat d'Liichtkraaft pro Eenheet Wellelängt pro Eenheet Beräich (W/㎡um) ass. D'Intensitéit vum Sonneliicht (W/㎡) ass d'Zomm vun alle Wellelängten vun der Spektrumbeleuchtung. D'Spektrumbeliichtung vum Sonneliicht ass mat der gemoosser Positioun an dem Wénkel vun der Sonn relativ zu der Äerduewerfläch verbonnen. Dëst ass well d'Sonneliicht vun der Atmosphär absorbéiert a verspreet gëtt ier se d'Äerduewerfläch erreecht. Déi zwee Faktore vu Positioun a Wénkel ginn allgemeng duerch déi sougenannt Loftmass (AM) duergestallt. Fir d'Solarbeliichtung bezitt AMO op d'Situatioun am Weltraum, wann d'Sonn direkt schéngt. Seng Liichtintensitéit ass ongeféier 1353 W/㎡, wat ongeféier gläichwäerteg ass mat der Liichtquell, déi duerch Schwaarzkierperstralung mat enger Temperatur vu 5800K produzéiert gëtt. AMI bezitt sech op d'Situatioun op der Äerduewerfläch, wann d'Sonn direkt schéngt, ass d'Liichtintensitéit ongeféier 925 W/m2. AMI.5 bezitt sech op d'Situatioun op der Äerduewerfläch, wann d'Sonn an engem Wénkel vu 45 Grad opfällt, ass d'Liichtintensitéit ongeféier 844 W/m2. AM 1,5 gëtt allgemeng benotzt fir déi duerchschnëttlech Beliichtung vum Sonneliicht op der Äerduewerfläch ze representéieren. Solar Zell Circuit Modell:

Wann et kee Liicht ass, behält eng Solarzelle sech wéi eng pn Kräizung Diode. D'Stroum-Spannungsverhältnis vun enger idealer Diode kann ausgedréckt ginn als

Wou I de Stroum duerstellt, V duerstellt d'Spannung, Is ass de Sättigungsstroum, a VT = KBT/q0, wou KB d'BoItzmann Konstant duerstellt, q0 d'Eenheet elektresch Ladung ass, an T ass d'Temperatur. Bei Raumtemperatur, VT = 0,026v. Et sollt bemierkt datt d'Richtung vum Pn-Diodestroum definéiert ass fir vum P-Typ op n-Typ am Apparat ze fléien, an déi positiv an negativ Wäerter vun der Spannung sinn als P-Typ Terminalpotenzial definéiert. minus den n-Typ Terminalpotenzial. Dofir, wann dës Definitioun gefollegt gëtt, wann d'Solarzelle funktionnéiert, ass säi Spannungswäert positiv, säin aktuelle Wäert ass negativ, an d'IV Curve ass am véierte Quadrant. D'Lieser mussen hei drun erënnert ginn datt déi sougenannt ideal Diode op ville kierperleche Bedéngungen baséiert, an tatsächlech Dioden wäerten natierlech e puer net-ideal Faktoren hunn, déi d'Stroum-Spannungsverhältnis vum Apparat beaflossen, sou wéi Generatioun-Rekombinatiounsstroum, hei Mir wäerten ' t diskutéieren et vill. Wann d'Solarzelle u Liicht ausgesat ass, gëtt et Fotostroum an der pn-Diode. Well déi agebaut elektresch Feldrichtung vun der pn-Kräizung vun n-Typ op p-Typ ass, lafen d'Elektron-Lach-Paren, déi duerch d'Absorptioun vu Photonen generéiert ginn, Richtung n-Typ Enn, während d'Lächer Richtung p lafen. -Typ Enn. De Fotostroum, dee vun deenen zwee geformt gëtt, fléisst vun n-Typ op p-Typ. Allgemeng ass d'Forward Stroumrichtung vun enger Diode definéiert als fléissend vu p-Typ op n-Typ. Op dës Manéier, am Verglach mat enger idealer Diode, ass de Fotostroum, deen vun enger Solarzelle generéiert gëtt wann se beliicht ass, en negativen Stroum. D'Stroum-Spannungsverhältnis vun der Sonnenzell ass déi ideal Diode plus en negativen Fotostroum IL, deem seng Gréisst ass:

An anere Wierder, wann et kee Liicht ass, IL=0, ass d'Solarzelle just eng normal Diode. Wann d'Solarzelle kierzlech ass, dat heescht V=0, ass de Kuerzschlussstroum Isc=-IL. Dat heescht, wann d'Solarzelle kuerzverschlësselt ass, ass de Kuerzschlussstroum de Fotostroum, deen duerch infallend Liicht generéiert gëtt. Wann d'Solarzelle oppe Circuit ass, dat heescht, wann I = 0, ass seng Open Circuit Spannung:

Figur 2. Gläichgewiicht Circuit vun Solarzelle: (eng) ouni, (b) mat Serie an shunt resistors. Et muss hei betount ginn datt Open Circuit Spannung a Kuerzschlussstroum zwee wichteg Parametere vu Solarzelleeigenschaften sinn.

D'Kraaftoutput vun enger Solarzelle ass d'Produkt vum Stroum a Spannung:

Natierlech ass de Stroumausgang vun der Solarzelle kee fixe Wäert. Et erreecht de maximale Wäert op engem bestëmmte Stroum-Spannungsbetribspunkt, an déi maximal Ausgangskraaft Pmax kann duerch dp / dv = 0 bestëmmt ginn. Mir kënnen ofleeën datt d'Ausgangsspannung bei der maximaler Ausgangskraaft Pmax ass:

an den Ausgangsstroum ass:

Déi maximal Ausgangskraaft vun der Solarzelle ass:

D'Effizienz vun enger Solarzelle bezitt sech op d'Verhältnis vun der Solarzelle, déi d'Kraaft Pin vum Incident Liicht an déi maximal Ausgab elektresch Kraaft ëmwandelt, dat ass:

Allgemeng Solarzelleffizienzmiessunge benotzen eng Liichtquell ähnlech wéi Sonneliicht mat Pin = 1000W/㎡.

Experimentell ass d'Stroum-Spannungsverhältnis vu Solarzellen net komplett déi uewe genannte theoretesch Beschreiwung. Dëst ass well de Photovoltaikapparat selwer sougenannte Serieresistenz a Shuntresistenz huet. Fir all Hallefleitmaterial, oder de Kontakt tëscht engem Halbleiter an engem Metall, gëtt et zwangsleefeg eng méi grouss oder manner Resistenz, déi d'Serieresistenz vum Photovoltaikapparat bilden. Op der anerer Säit, all aktuell Wee anescht wéi déi ideal Pn-Diode tëscht de positiven an negativen Elektroden vum Photovoltaikapparat wäert de sougenannte Leckstroum verursaachen, sou wéi d'Generatioun-Rekombinatiounsstroum am Apparat. , Uewerfläch Rekombinatiounsstroum, onkomplett Randisolatioun vum Apparat, a Metallkontaktpenetratiounskräizung.

Normalerweis benotze mir Shuntresistenz fir de Leckstroum vu Solarzellen ze definéieren, dat heescht Rsh = V / Ileak. Wat méi grouss de Shuntresistenz ass, dest méi kleng ass de Leckstroum. Wa mir de gemeinsame Resistenz Rs an d'Shuntresistenz Rsh berécksiichtegen, kann d'Stroum-Spannungsverhältnis vun der Solarzelle geschriwwe ginn:

Mir kënnen och nëmmen ee Parameter benotzen, de sougenannte Fillfaktor, fir souwuel d'Effekter vun der Serieresistenz an der Shuntresistenz ze resuméieren. definéiert wéi:

Et ass offensichtlech datt de Füllfaktor maximal ass wann et kee Serieresistor gëtt an d'Shuntresistenz onendlech ass (kee Leckstroum). All Erhéijung vun der Serieresistenz oder Ofsenkung vun der Shuntresistenz wäert de Fëllfaktor reduzéieren. Op dës Manéier,. D'Effizienz vun de Solarzellen kann duerch dräi wichteg Parameter ausgedréckt ginn: Open Circuit Spannung Voc, Kuerzschlussstroum Isc, a Fëllfaktor FF.

Selbstverständlech, fir d'Effizienz vun enger Solarzelle ze verbesseren, ass et noutwendeg fir gläichzäiteg seng Open Circuit Spannung, Kuerzschlussstroum (dat ass Fotostroum) a Fëllfaktor ze erhéijen (dat ass Serieresistenz a Leckstroum reduzéieren).

Open Circuit Spannung a Kuerzschlussstroum: Vun der viregter Formel beurteelen, gëtt d'Open Circuit Spannung vun der Solarzelle vum Photostroum an der gesättigter Zell bestëmmt. Aus der Perspektiv vun der Halbleiterphysik ass d'Open Circuit Spannung gläich wéi de Fermi Energiedifferenz tëscht Elektronen a Lächer an der Raumladungsregioun. Wat de Sättigungsstroum vun enger idealer Pn-Diode ugeet, kënnt Dir benotzen:

auszedrécken. wou q0 d'Eenheetsladung duerstellt, ni representéiert déi intrinsesch Trägerkonzentratioun vum Hallefleiter, ND an NA representéieren all d'Konzentratioun vum Donor an dem Akzeptor, Dn an Dp representéieren all d'Diffusiounskoeffizient vun Elektronen a Lächer, den uewe genannten Ausdrock gëtt ugeholl n - De Fall wou souwuel d'Typ Regioun an d'P-Typ Regioun souwuel breet sinn. Allgemeng, fir Solarzellen déi p-Typ Substrate benotzen, ass d'n-Typ Beräich ganz flaach, an den uewe genannten Ausdrock muss geännert ginn.

Mir hunn virdru gesot datt wann eng Solarzelle beliicht ass, e Fotostroum generéiert gëtt, an de Fotostroum ass den zouene Circuitstroum an der Stroum-Spannungsverhältnis vun der Sonnenzell. Hei wäerte mir kuerz den Urspronk vum Fotostroum beschreiwen. D'Generatiounsquote vun den Träger an Eenheetsvolumen pro Zäitunitéit (Eenheet m -3 s -1 ) gëtt duerch de Liichtabsorptionskoeffizient bestëmmt, d.h.

Dorënner stellt α de Liichtabsorptiounskoeffizient duer, wat d'Intensitéit vun infallende Photonen (oder Photonfluxdichtheet) ass, an R bezitt sech op de Reflexiounskoeffizient, sou datt et d'Intensitéit vun infallsfotonen duerstellt déi net reflektéiert ginn. Déi dräi Haaptmechanismen, déi Photostroum generéieren, sinn: den Diffusiounsstroum vu Minoritéitsträgerelektronen an der p-Typ Regioun, den Diffusiounsstroum vu Minoritéitsträgerlächer an der n-Typ Regioun, an den Drift vun Elektronen a Lächer an der Raumladungsregioun. aktuell. Dofir kann de Photostroum ongeféier ausgedréckt ginn wéi:

Ënnert hinnen representéieren Ln a Lp all d'Diffusiounslängt vun Elektronen an der p-Typ Regioun a Lächer an der n-Typ Regioun, an ass d'Breet vun der Raumladungsregioun. Zesummefaassend dës Resultater, kréie mir en einfachen Ausdrock fir d'Open Circuit Spannung:

wou Vrcc duerstellt der recombination Taux vun Elektronen-Lach Puer pro Eenheet Volumen. Natierlech ass dëst en natierlecht Resultat, well d'Open Circuit Spannung ass gläich mam Fermi Energiedifferenz tëscht Elektronen a Lächer an der Raumladungsregioun, an de Fermi Energiedifferenz tëscht Elektronen a Lächer gëtt duerch d'Trägergeneratiounsquote an d'Rekombinatiounsquote bestëmmt. .