Kaip veikia saulės elementai

Saulės elementai sugeria saulės šviesą, kad atliktų įprastų baterijų funkcijas. Tačiau skirtingai nuo tradicinių baterijų, tradicinių baterijų išėjimo įtampa ir maksimali išėjimo galia yra fiksuota, o saulės elementų išėjimo įtampa, srovė ir galia yra susiję su apšvietimo sąlygomis ir apkrovos veikimo taškais. Dėl šios priežasties, norėdami naudoti saulės elementus elektrai gaminti, turite suprasti srovės ir įtampos santykį bei saulės elementų veikimo principą.

Spektrinis saulės šviesos apšvietimas:

Saulės elementų energijos šaltinis yra saulės šviesa, todėl krintančios saulės šviesos intensyvumas ir spektras lemia saulės elemento išėjimo srovę ir įtampą. Žinome, kad kai objektas yra pastatytas po saule, jis saulės šviesą gauna dviem būdais: vienas yra tiesioginis saulės spindulių, o kitas yra išsklaidytas saulės spindulių po to, kai yra išsklaidytas kitų objektų paviršiuje. Įprastomis aplinkybėmis tiesioginė krintanti šviesa sudaro apie 80 % saulės elemento gaunamos šviesos. Todėl mūsų tolesnė diskusija taip pat bus skirta tiesioginiam saulės spindulių poveikiui.

Saulės šviesos intensyvumą ir spektrą galima išreikšti spektro apšvita, kuri yra šviesos galia bangos ilgio vienetui ploto vienetui (W/㎡um). Saulės šviesos intensyvumas (W/㎡) yra visų spektro apšvietimo bangų ilgių suma. Saulės šviesos spektro apšvietimas yra susijęs su išmatuota padėtimi ir saulės kampu žemės paviršiaus atžvilgiu. Taip yra todėl, kad saulės šviesa bus sugerta ir išsklaidyta atmosferoje prieš pasiekdama žemės paviršių. Du padėties ir kampo veiksnius paprastai apibūdina vadinamoji oro masė (AM). Saulės apšvietimui AMO reiškia situaciją kosmose, kai saulė šviečia tiesiogiai. Jo šviesos intensyvumas yra maždaug 1353 W/㎡, o tai apytiksliai atitinka šviesos šaltinį, kurį sukuria juodo kūno spinduliuotė, kurios temperatūra yra 5800 K. AMI reiškia situaciją žemės paviršiuje, kai saulė šviečia tiesiogiai, šviesos intensyvumas yra apie 925 W/m2. AMI.5 reiškia situaciją žemės paviršiuje, kai saulė krinta 45 laipsnių kampu, šviesos intensyvumas yra apie 844 W/m2. AM 1.5 paprastai naudojamas vidutiniam saulės šviesos apšvietimui žemės paviršiuje pavaizduoti. Saulės elementų grandinės modelis:

Kai nėra šviesos, saulės elementas elgiasi kaip pn sandūros diodas. Idealaus diodo srovės ir įtampos santykis gali būti išreikštas kaip

Kur I žymi srovę, V – įtampą, Is – soties srovę, o VT=KBT/q0, kur KB – BoItzmann konstantą, q0 – vienetinį elektros krūvį, o T – temperatūrą. Kambario temperatūroje VT=0,026v. Reikėtų pažymėti, kad Pn diodo srovės kryptis įrenginyje apibrėžiama taip, kad tekėtų iš P tipo į n tipą, o teigiamos ir neigiamos įtampos vertės apibrėžiamos kaip P tipo gnybtų potencialas. atėmus n tipo terminalo potencialą. Todėl, jei laikomasi šio apibrėžimo, kai saulės elementas veikia, jo įtampos vertė yra teigiama, srovės vertė yra neigiama, o IV kreivė yra ketvirtame kvadrante. Skaitytojams reikia priminti, kad vadinamasis idealus diodas yra pagrįstas daugeliu fizinių sąlygų, o tikrieji diodai natūraliai turės keletą neidealių veiksnių, turinčių įtakos įrenginio srovės ir įtampos santykiui, pvz., generacijos ir rekombinacijos srovė. daug nediskutuoti. Kai saulės elementas yra veikiamas šviesos, pn diode bus foto srovė. Kadangi pn sandūros įtaisytosios elektrinio lauko kryptis yra nuo n-tipo iki p-tipo, elektronų-skylių poros, susidarančios fotonų sugerties link, eis link n-tipo galo, o skylės - link p. -tipo galas. Šių dviejų formuojama fotosrovė tekės iš n tipo į p tipą. Paprastai diodo tiesioginė srovės kryptis apibrėžiama kaip tekanti iš p tipo į n tipą. Tokiu būdu, palyginti su idealiu diodu, saulės elemento sukuriama fotosrovė, kai ji šviečia, yra neigiama srovė. Saulės elemento srovės ir įtampos santykis yra idealus diodas ir neigiama fotosrovė IL, kurios dydis yra:

Kitaip tariant, kai nėra šviesos, IL=0, saulės elementas yra tik paprastas diodas. Kai saulės elementas yra trumpai sujungtas, tai yra V=0, trumpojo jungimo srovė yra Isc=-IL. Tai reiškia, kad kai saulės elementas yra trumpasis jungimas, trumpojo jungimo srovė yra foto srovė, kurią sukuria krintanti šviesa. Jei saulės elementas yra atviros grandinės, tai yra, jei I = 0, jo atviros grandinės įtampa yra:

2 pav. Saulės elemento lygiavertė grandinė: (a) be, (b) su serijiniais ir šuntiniais rezistoriais. Čia reikia pabrėžti, kad atviros grandinės įtampa ir trumpojo jungimo srovė yra du svarbūs saulės elementų charakteristikų parametrai.

Saulės elemento išėjimo galia yra srovės ir įtampos sandauga:

Akivaizdu, kad saulės elemento išėjimo galia nėra fiksuota vertė. Didžiausią reikšmę jis pasiekia tam tikrame srovės-įtampos veikimo taške, o didžiausią išėjimo galią Pmax galima nustatyti dp/dv=0. Galime daryti išvadą, kad išėjimo įtampa esant didžiausiai išėjimo galiai Pmax yra:

ir išėjimo srovė yra:

Didžiausia saulės elemento išėjimo galia yra:

Saulės elemento efektyvumas reiškia saulės elemento, paverčiančio krintančios šviesos galią į didžiausią išėjimo elektros galią, santykį, ty:

Bendriems saulės elementų efektyvumo matavimams naudojamas šviesos šaltinis, panašus į saulės šviesą, kurio kontaktas = 1000 W/㎡.

Eksperimentiškai saulės elementų srovės ir įtampos santykis nevisiškai atitinka aukščiau pateiktą teorinį aprašymą. Taip yra todėl, kad pats fotovoltinis įrenginys turi vadinamąją serijinę varžą ir šunto varžą. Bet kuriai puslaidininkinei medžiagai arba puslaidininkio ir metalo kontaktui neišvengiamai bus didesnė ar mažesnė varža, kuri sudarys fotovoltinio įrenginio nuosekliąją varžą. Kita vertus, bet koks srovės kelias, išskyrus idealų Pn diodą tarp teigiamų ir neigiamų fotovoltinio įrenginio elektrodų, sukels vadinamąją nuotėkio srovę, pvz., generavimo-rekombinacijos srovę įrenginyje. , paviršiaus rekombinacinė srovė, nepilna įrenginio briaunų izoliacija ir metalinė kontaktų įsiskverbimo jungtis.

Paprastai saulės elementų nuotėkio srovei apibrėžti naudojame šunto varžą, ty Rsh=V/Ileak. Kuo didesnė šunto varža, tuo mažesnė nuotėkio srovė. Jei atsižvelgsime į jungties varžą Rs ir šunto varžą Rsh, saulės elemento srovės ir įtampos santykis gali būti parašytas taip:

Taip pat galime naudoti tik vieną parametrą, vadinamąjį užpildymo koeficientą, kad apibendrintume serijinės varžos ir šunto pasipriešinimo poveikį. apibrėžtas kaip:

Akivaizdu, kad užpildymo koeficientas yra didžiausias, jei nėra nuoseklaus rezistoriaus, o šunto varža yra begalinė (nėra nuotėkio srovės). Bet koks nuoseklaus pasipriešinimo padidėjimas arba šunto pasipriešinimo sumažėjimas sumažins užpildymo koeficientą. Šiuo būdu,. Saulės elementų efektyvumą galima išreikšti trimis svarbiais parametrais: atviros grandinės įtampa Voc, trumpojo jungimo srove Isc ir užpildymo koeficientu FF.

Akivaizdu, kad norint pagerinti saulės elemento efektyvumą, reikia tuo pačiu metu padidinti jo atviros grandinės įtampą, trumpojo jungimo srovę (tai yra fotosrovę) ir užpildymo koeficientą (ty sumažinti serijinę varžą ir nuotėkio srovę).

Atviros grandinės įtampa ir trumpojo jungimo srovė: Sprendžiant iš ankstesnės formulės, saulės elemento atvirosios grandinės įtampą lemia fotosrovė ir prisotintas elementas. Puslaidininkių fizikos požiūriu atviros grandinės įtampa yra lygi Fermi energijos skirtumui tarp elektronų ir skylių erdvės krūvio srityje. Kalbant apie idealaus Pn diodo soties srovę, galite naudoti:

išreikšti. kur q0 reiškia vienetinį krūvį, ni reiškia vidinę puslaidininkio nešiklio koncentraciją, ND ir NA reiškia donoro ir akceptoriaus koncentraciją, Dn ir Dp kiekvienas reiškia elektronų ir skylių difuzijos koeficientą, aukščiau pateikta išraiška darant prielaidą, kad n - Atvejis, kai ir tipo sritis, ir p tipo sritis yra platūs. Paprastai saulės elementų, naudojančių p tipo substratus, n tipo sritis yra labai sekli, todėl aukščiau pateiktą išraišką reikia modifikuoti.

Anksčiau minėjome, kad kai saulės elementas yra apšviestas, susidaro fotosrovė, o fotosrovė yra uždaros grandinės srovė saulės elemento srovės ir įtampos santykyje. Čia trumpai apibūdinsime fotosrovės kilmę. Nešėjų generavimo greitis tūrio vienetu per laiko vienetą (m -3 s -1 ) nustatomas pagal šviesos sugerties koeficientą, t.

Tarp jų α reiškia šviesos sugerties koeficientą, kuris yra krintančių fotonų intensyvumas (arba fotonų srauto tankis), o R reiškia atspindžio koeficientą, taigi jis reiškia krintančių fotonų, kurie neatsispindi, intensyvumą. Trys pagrindiniai mechanizmai, generuojantys fotosrovę, yra šie: mažumos nešiklio elektronų difuzijos srovė p tipo srityje, mažumos nešiklio skylių difuzinė srovė n tipo srityje ir elektronų bei skylių dreifas erdvės krūvio srityje. srovė. Todėl fotosrovę galima apytiksliai išreikšti taip:

Tarp jų Ln ir Lp kiekvienas reiškia elektronų difuzijos ilgį p tipo srityje ir skyles n tipo srityje ir yra erdvės krūvio srities plotis. Apibendrinant šiuos rezultatus, gauname paprastą atviros grandinės įtampos išraišką:

kur Vrcc reiškia elektronų ir skylių porų rekombinacijos greitį tūrio vienete. Žinoma, tai yra natūralus rezultatas, nes atviros grandinės įtampa yra lygi Fermi energijos skirtumui tarp elektronų ir skylių erdvės krūvio srityje, o Fermi energijos skirtumą tarp elektronų ir skylių lemia nešiklio generavimo greitis ir rekombinacijos greitis. .