Kā darbojas saules baterijas

Saules baterijas absorbēt saules gaismu, lai nodrošinātu parasto akumulatoru funkcijas. Bet atšķirībā no tradicionālajām baterijām tradicionālo akumulatoru izejas spriegums un maksimālā izejas jauda ir fiksēta, savukārt saules bateriju izejas spriegums, strāva un jauda ir saistīta ar apgaismojuma apstākļiem un slodzes darbības punktiem. Šī iemesla dēļ, lai izmantotu saules baterijas elektroenerģijas ražošanai, jums ir jāsaprot saules bateriju strāvas un sprieguma attiecības un darbības princips.

Saules gaismas spektrālais apgaismojums:

Saules bateriju enerģijas avots ir saules gaisma, tāpēc krītošās saules gaismas intensitāte un spektrs nosaka saules baterijas strāvu un spriegumu. Mēs zinām, ka, novietojot objektu zem saules, tas saņem saules gaismu divos veidos: viens ir tieša saules gaisma, bet otrs ir izkliedēta saules gaisma pēc citu objektu izkliedēšanas uz virsmas. Normālos apstākļos tieša krītošā gaisma veido aptuveni 80% no saules baterijas uztvertās gaismas. Tāpēc mūsu turpmākajā diskusijā galvenā uzmanība tiks pievērsta arī tiešai saules gaismas iedarbībai.

Saules gaismas intensitāti un spektru var izteikt ar spektra izstarojumu, kas ir gaismas jauda uz viļņa garuma vienību uz laukuma vienību (W/㎡um). Saules gaismas intensitāte (W/㎡) ir visu spektra apgaismojuma viļņu garumu summa. Saules gaismas spektra apgaismojums ir saistīts ar izmērīto stāvokli un saules leņķi attiecībā pret zemes virsmu. Tas ir tāpēc, ka saules gaisma tiks absorbēta un izkliedēta atmosfērā, pirms tā sasniegs zemes virsmu. Abus pozīcijas un leņķa faktorus parasti attēlo tā sauktā gaisa masa (AM). Saules apgaismojumam AMO attiecas uz situāciju kosmosā, kad saule spīd tieši. Tā gaismas intensitāte ir aptuveni 1353 W/㎡, kas ir aptuveni līdzvērtīga gaismas avotam, ko rada melnā ķermeņa starojums ar temperatūru 5800 K. AMI attiecas uz situāciju uz zemes virsmas, kad saule spīd tieši, gaismas intensitāte ir aptuveni 925 W/m2. AMI.5 attiecas uz situāciju uz zemes virsmas, kad saule krīt 45 grādu leņķī, gaismas intensitāte ir aptuveni 844 W/m2. AM 1.5 parasti izmanto, lai attēlotu vidējo saules gaismas apgaismojumu uz zemes virsmas. Saules bateriju ķēdes modelis:

Ja nav gaismas, saules baterija uzvedas kā pn savienojuma diode. Ideālas diodes strāvas un sprieguma attiecību var izteikt kā

Kur I apzīmē strāvu, V apzīmē spriegumu, Is ir piesātinājuma strāva un VT = KBT/q0, kur KB apzīmē BoItzmana konstanti, q0 ir elektriskā lādiņa vienība un T ir temperatūra. Istabas temperatūrā VT=0,026v. Jāņem vērā, ka Pn diodes strāvas virziens ir definēts tā, lai ierīcē plūst no P veida uz n veidu, un sprieguma pozitīvās un negatīvās vērtības tiek definētas kā P veida spailes potenciāls. mīnus n-veida gala potenciāls. Tāpēc, ja tiek ievērota šī definīcija, saules baterijas darbības laikā tā sprieguma vērtība ir pozitīva, strāvas vērtība ir negatīva un IV līkne atrodas ceturtajā kvadrantā. Šeit lasītājiem jāatgādina, ka tā sauktā ideālā diode ir balstīta uz daudziem fiziskiem apstākļiem, un faktiskajām diodēm, protams, būs daži neideāli faktori, kas ietekmē ierīces strāvas un sprieguma attiecības, piemēram, paaudzes-rekombinācijas strāva. nerunājiet par to daudz. Kad saules baterija tiek pakļauta gaismai, pn diodē būs fotostrāva. Tā kā pn savienojuma iebūvētā elektriskā lauka virziens ir no n-tipa uz p-tipu, elektronu-caurumu pāri, kas rodas fotonu absorbcijas rezultātā, virzīsies uz n-tipa galu, bet caurumi virzīsies uz p-tipu. -tipa gals. Abu veidotā fotostrāva plūdīs no n-tipa uz p-tipu. Parasti diodes tiešās strāvas virzienu definē kā plūstošu no p-tipa uz n-tipu. Tādā veidā, salīdzinot ar ideālu diodi, saules baterijas radītā fotostrāva, kad tā ir apgaismota, ir negatīva strāva. Saules baterijas strāvas un sprieguma attiecība ir ideāla diode plus negatīva fotostrāva IL, kuras lielums ir:

Citiem vārdiem sakot, ja nav gaismas, IL=0, saules baterija ir tikai parasta diode. Kad saules baterija ir īssavienota, tas ir, V=0, īssavienojuma strāva ir Isc=-IL. Proti, kad saules baterija ir īssavienota, īssavienojuma strāva ir fotostrāva, ko rada krītoša gaisma. Ja saules baterija ir atvērta ķēde, tas ir, ja I = 0, tās atvērtās ķēdes spriegums ir:

2. attēls. Saules baterijas ekvivalentā ķēde: (a) bez, (b) ar virknes un šunta rezistoriem. Šeit jāuzsver, ka atvērtās ķēdes spriegums un īssavienojuma strāva ir divi svarīgi saules bateriju īpašību parametri.

Saules baterijas jauda ir strāvas un sprieguma reizinājums:

Acīmredzot saules baterijas izvadītā jauda nav fiksēta vērtība. Tas sasniedz maksimālo vērtību noteiktā strāvas-sprieguma darbības punktā, un maksimālo izejas jaudu Pmax var noteikt ar dp/dv=0. Mēs varam secināt, ka izejas spriegums pie maksimālās izejas jaudas Pmax ir:

un izejas strāva ir:

Saules baterijas maksimālā izejas jauda ir:

Saules baterijas efektivitāte attiecas uz attiecību, kādā saules baterija pārvērš krītošās gaismas jaudu Pin maksimālajā izejas elektriskajā jaudā, tas ir:

Vispārējos saules bateriju efektivitātes mērījumos tiek izmantots saules gaismai līdzīgs gaismas avots ar pin = 1000 W/㎡.

Eksperimentāli saules bateriju strāvas un sprieguma attiecība pilnībā neatbilst iepriekšminētajam teorētiskajam aprakstam. Tas ir tāpēc, ka pašai fotoelektriskajai ierīcei ir tā sauktā sērijas pretestība un šunta pretestība. Jebkuram pusvadītāju materiālam vai kontaktam starp pusvadītāju un metālu neizbēgami būs lielāka vai mazāka pretestība, kas veidos fotoelektriskās ierīces virknes pretestību. No otras puses, jebkurš strāvas ceļš, kas nav ideālā Pn diode starp fotoelektriskās ierīces pozitīvajiem un negatīvajiem elektrodiem, izraisīs tā saukto noplūdes strāvu, piemēram, ģenerēšanas-rekombinācijas strāvu ierīcē. , virsmas rekombinācijas strāva, nepilnīga ierīces malu izolācija un metāla kontakta iespiešanās savienojums.

Parasti mēs izmantojam šunta pretestību, lai noteiktu saules bateriju noplūdes strāvu, tas ir, Rsh=V/Ileak. Jo lielāka ir šunta pretestība, jo mazāka ir noplūdes strāva. Ja ņemam vērā savienojuma pretestību Rs un šunta pretestību Rsh, saules baterijas strāvas un sprieguma attiecību var uzrakstīt šādi:

Mēs varam arī izmantot tikai vienu parametru, tā saukto aizpildījuma koeficientu, lai apkopotu gan virknes pretestības, gan šunta pretestības ietekmi. definēts kā:

Ir skaidrs, ka piepildījuma koeficients ir maksimāls, ja nav sērijveida rezistora un šunta pretestība ir bezgalīga (nav noplūdes strāvas). Jebkurš sērijas pretestības palielinājums vai šunta pretestības samazinājums samazinās piepildījuma koeficientu. Pa šo ceļu,. Saules bateriju efektivitāti var izteikt ar trim svarīgiem parametriem: atvērtās ķēdes spriegumu Voc, īssavienojuma strāvu Isc un piepildījuma koeficientu FF.

Acīmredzot, lai uzlabotu saules baterijas efektivitāti, ir nepieciešams vienlaikus palielināt tā atvērtās ķēdes spriegumu, īssavienojuma strāvu (tas ir, fotostrāvu) un piepildījuma koeficientu (tas ir, samazināt virknes pretestību un noplūdes strāvu).

Atvērtās ķēdes spriegums un īssavienojuma strāva: Spriežot pēc iepriekšējās formulas, saules baterijas atvērtās ķēdes spriegumu nosaka fotostrāva un piesātinātā baterija. No pusvadītāju fizikas viedokļa atvērtās ķēdes spriegums ir vienāds ar Fermi enerģijas starpību starp elektroniem un caurumiem telpas lādiņa reģionā. Attiecībā uz ideālas Pn diodes piesātinājuma strāvu varat izmantot:

izteikt. kur q0 apzīmē lādiņa vienības, ni apzīmē pusvadītāja raksturīgo nesēja koncentrāciju, ND un NA katrs apzīmē donora un akceptora koncentrāciju, Dn un Dp katrs apzīmē elektronu un caurumu difūzijas koeficientu, iepriekšminētā izteiksme ir pieņemta, ka n - Gadījums, kad gan tipa reģions, gan p-tipa reģions ir plaši. Parasti saules baterijām, kurās izmanto p-tipa substrātus, n-tipa laukums ir ļoti sekls, un iepriekšminētā izteiksme ir jāmaina.

Mēs jau iepriekš minējām, ka, apgaismojot saules bateriju, tiek ģenerēta fotostrāva, un fotostrāva ir slēgtas ķēdes strāva saules baterijas strāvas un sprieguma attiecībās. Šeit īsi aprakstīsim fotostrāvas izcelsmi. Nesēju ģenerēšanas ātrumu tilpuma vienībā laika vienībā (vienība m -3 s -1 ) nosaka gaismas absorbcijas koeficients, tas ir

Starp tiem α apzīmē gaismas absorbcijas koeficientu, kas ir krītošo fotonu intensitāte (vai fotonu plūsmas blīvums), un R attiecas uz atstarošanas koeficientu, tāpēc tas apzīmē krītošo fotonu intensitāti, kas netiek atspoguļoti. Trīs galvenie mehānismi, kas ģenerē fotostrāvu, ir: mazākuma nesējelektronu difūzijas strāva p-tipa reģionā, mazākuma nesējelektronu difūzijas strāva n-tipa reģionā un elektronu un caurumu novirze kosmosa lādiņa reģionā. strāva. Tāpēc fotostrāvu var aptuveni izteikt šādi:

Starp tiem Ln un Lp katrs apzīmē elektronu difūzijas garumu p-tipa reģionā un caurumus n-tipa reģionā, un ir telpas lādiņa apgabala platums. Apkopojot šos rezultātus, mēs iegūstam vienkāršu atvērtās ķēdes sprieguma izteiksmi:

kur Vrcc apzīmē elektronu caurumu pāru rekombinācijas ātrumu uz tilpuma vienību. Protams, tas ir dabisks rezultāts, jo atvērtās ķēdes spriegums ir vienāds ar Fermi enerģijas starpību starp elektroniem un caurumiem kosmosa lādiņa reģionā, un Fermi enerģijas starpību starp elektroniem un caurumiem nosaka nesēja ģenerēšanas ātrums un rekombinācijas ātrums. .