Како функционираат соларните ќелии

Соларни ќелии апсорбира сончева светлина за да ги произведе функциите на обичните батерии. Но, за разлика од традиционалните батерии, излезниот напон и максималната излезна моќност на традиционалните батерии се фиксни, додека излезниот напон, струјата и моќноста на соларните ќелии се поврзани со условите на осветлување и работните точки на оптоварување. Поради ова, за да користите соларни ќелии за производство на електрична енергија, мора да ја разберете врската струја-напон и принципот на работа на соларните ќелии.

Спектрално осветлување на сончевата светлина:

Изворот на енергија на соларните ќелии е сончевата светлина, така што интензитетот и спектарот на упадната сончева светлина ја одредуваат струјата и излезниот напон од соларната ќелија. Знаеме дека кога некој предмет е поставен под сонцето, тој добива сончева светлина на два начина, едниот е директна сончева светлина, а другиот е дифузна сончева светлина откако ќе биде расеан од други предмети на површината. Во нормални околности, светлината со директен удар сочинува околу 80% од светлината што ја прима соларната ќелија. Затоа, нашата следна дискусија ќе се фокусира и на директното изложување на сончева светлина.

Интензитетот и спектарот на сончевата светлина може да се изразат со зрачење на спектарот, што е светлосна моќност по единица бранова должина по единица површина (W/㎡um). Интензитетот на сончевата светлина (W/㎡) е збир од сите бранови должини на осветлувањето на спектарот. Спектарното осветлување на сончевата светлина е поврзано со измерената положба и аголот на сонцето во однос на површината на земјата. Тоа е затоа што сончевата светлина ќе биде апсорбирана и распрскана од атмосферата пред да стигне до површината на земјата. Двата фактора на положба и агол генерално се претставени со таканаречената воздушна маса (AM). За сончево осветлување, АМО се однесува на ситуацијата во вселената кога сонцето директно сјае. Нејзиниот интензитет на светлина е приближно 1353 W/㎡, што е приближно еквивалентно на изворот на светлина произведен од зрачењето на црното тело со температура од 5800K. AMI се однесува на ситуацијата на површината на земјата, кога сонцето сјае директно, интензитетот на светлината е околу 925 W/m2. AMI.5 се однесува на ситуацијата на површината на земјата, кога сонцето се спушта под агол од 45 степени, интензитетот на светлината е околу 844 W/m2. AM 1.5 генерално се користи за да го претстави просечното осветлување на сончевата светлина на површината на земјата. Модел на коло на соларни ќелии:

Кога нема светлина, соларната ќелија се однесува како pn спојна диода. Врската струја-напон на идеална диода може да се изрази како

Онаму каде што I ја претставува струјата, V го претставува напонот, Is е струјата на заситување и VT=KBT/q0, каде KB ја претставува BoItzmann константата, q0 е единечниот електричен полнеж, а T е температурата. На собна температура, VT=0,026v. Треба да се забележи дека насоката на струјата на диодата Pn е дефинирана да тече од P-тип до n-тип во уредот, а позитивните и негативните вредности на напонот се дефинирани како терминален потенцијал од P-тип. минус терминалниот потенцијал од n-тип. Затоа, ако се следи оваа дефиниција, кога соларната ќелија работи, нејзината вредност на напонот е позитивна, нејзината моментална вредност е негативна, а кривата IV е во четвртиот квадрант. Овде мора да се потсетиме на читателите дека таканаречената идеална диода се заснова на многу физички услови, а вистинските диоди природно ќе имаат некои неидеални фактори кои влијаат на врската струја-напон на уредот, како што е струјата за рекомбинација на генерирање. не разговарајте многу за тоа. Кога соларната ќелија е изложена на светлина, ќе има фотоструја во pn диодата. Бидејќи насоката на вграденото електрично поле на pn-спојот е од n-тип до p-тип, паровите електрон-дупки генерирани од апсорпцијата на фотоните ќе се движат кон крајот од n-тип, додека дупките ќе се движат кон p. -тип крај. Фотострујата формирана од двете ќе тече од n-тип во p-тип. Општо земено, насоката на напредната струја на диодата е дефинирана како тече од p-тип до n-тип. На овој начин, во споредба со идеална диода, фотострујата што ја создава соларната ќелија кога е осветлена е негативна струја. Врската струја-напон на соларната ќелија е идеална диода плус негативна фотоструја IL, чија големина е:

Со други зборови, кога нема светлина, IL=0, соларната ќелија е само обична диода. Кога сончевата ќелија е краток спој, односно V=0, струјата на куса врска е Isc=-IL. Односно, кога сончевата ќелија е краток спој, струјата на куса врска е фотоструја генерирана од упадната светлина. Ако сончевата ќелија е отворено коло, односно ако I=0, нејзиниот напон на отворено коло е:

Слика 2. Еквивалентно коло на соларна ќелија: (а) без, (б) со сериски и шант отпорници. Овде мора да се нагласи дека напонот на отворено коло и струјата на куса врска се два важни параметри на карактеристиките на соларните ќелии.

Излезната моќност на соларната ќелија е производ на струјата и напонот:

Очигледно, излезната моќност од соларната ќелија не е фиксна вредност. Максималната вредност ја достигнува на одредена работна точка на струја-напон, а максималната излезна моќност Pmax може да се определи со dp/dv=0. Можеме да заклучиме дека излезниот напон при максимална излезна моќност Pmax е:

а излезната струја е:

Максималната излезна моќност на соларната ќелија е:

Ефикасноста на соларната ќелија се однесува на односот на соларната ќелија што го претвора моќниот пин на упадното светло во максимална излезна електрична моќност, односно:

Општите мерења на ефикасноста на соларни ќелии користат извор на светлина сличен на сончевата светлина со пин=1000W/㎡.

Експериментално, врската струја-напон на соларните ќелии не го следи целосно горенаведениот теоретски опис. Тоа е затоа што самиот фотоволтаичен уред има таканаречен сериски отпор и отпорност на шант. За секој полупроводнички материјал, или за контакт помеѓу полупроводник и метал, неизбежно ќе има поголем или помал отпор, што ќе го формира серискиот отпор на фотоволтаичниот уред. Од друга страна, секоја струјна патека освен идеалната Pn диода помеѓу позитивните и негативните електроди на фотоволтаичниот уред ќе предизвика таканаречена струја на истекување, како што е струјата за генерирање-рекомбинација во уредот. , струја на рекомбинација на површината, нецелосна изолација на рабовите на уредот и спој за пенетрација на метален контакт.

Обично, ние користиме отпор на шант за да ја дефинираме струјата на истекување на соларните ќелии, односно Rsh=V/Ileak. Колку е поголем отпорот на шантот, толку е помала струјата на истекување. Ако ги земеме предвид заедничкиот отпор Rs и отпорот на шант Rsh, односот струја-напон на соларната ќелија може да се запише како:

Можеме да користиме само еден параметар, таканаречениот фактор на полнење, за да ги сумираме и ефектите на серискиот отпор и отпорот на шант. дефинирано како:

Очигледно е дека факторот на полнење е максимален ако нема сериски отпорник и отпорот на шант е бесконечен (без струја на истекување). Секое зголемување на серискиот отпор или намалување на отпорот на шант ќе го намали факторот на полнење. На овој начин,. Ефикасноста на соларните ќелии може да се изрази со три важни параметри: напон на отворено коло Voc, струја на краток спој Isc и фактор на полнење FF.

Очигледно, за да се подобри ефикасноста на соларната ќелија, неопходно е истовремено да се зголеми напонот на отвореното коло, струјата на краток спој (т.е. фотоструја) и факторот на полнење (т.е. да се намали серискиот отпор и струјата на истекување).

Напон на отворено коло и струја на краток спој: Судејќи според претходната формула, напонот на отвореното коло на сончевата ќелија се одредува според фотострујата и заситената ќелија. Од гледна точка на физиката на полупроводниците, напонот на отворено коло е еднаков на енергетската разлика на Ферми помеѓу електроните и дупките во областа на вселенското полнење. Што се однесува до струјата на заситеност на идеална Pn диода, можете да користите:

да се изрази. каде што q0 го претставува единечниот полнеж, ni ја претставува внатрешната концентрација на носител на полупроводникот, ND и NA секоја ја претставуваат концентрацијата на донаторот и акцепторот, Dn и Dp секој го претставуваат коефициентот на дифузија на електроните и дупките, горенаведениот израз е претпоставувајќи n - Случајот кога и регионот на типот и регионот од типот p се и широки. Општо земено, за соларни ќелии кои користат супстрати од p-тип, областа од n-тип е многу плитка и горенаведениот израз треба да се измени.

Претходно споменавме дека кога соларна ќелија е осветлена, се генерира фотоструја, а фотострујата е струјата на затворено коло во односот струја-напон на соларната ќелија. Овде накратко ќе го опишеме потеклото на фотострујата. Стапката на генерирање на носители во единица волумен по единица време (единица m -3 s -1) се определува со коефициентот на апсорпција на светлина, т.е.

Меѓу нив, α го претставува коефициентот на апсорпција на светлина, што е интензитетот на инцидентните фотони (или густината на фотонскиот флукс), а R се однесува на коефициентот на рефлексија, така што го претставува интензитетот на инцидентните фотони кои не се рефлектираат. Трите главни механизми кои генерираат фотоструја се: дифузионата струја на миноритетните електрони носители во регионот од типот p, дифузната струја на миноритетните носечки дупки во регионот од типот n и движењето на електроните и дупките во областа на вселенското полнење. струја. Затоа, фотострујата може приближно да се изрази како:

Помеѓу нив, Ln и Lp ја претставуваат должината на дифузијата на електроните во регионот од типот p и дупките во регионот од типот n и е ширина на регионот на вселенското полнење. Сумирајќи ги овие резултати, добиваме едноставен израз за напонот на отворено коло:

каде што Vrcc ја претставува брзината на рекомбинација на паровите електрон-дупки по единица волумен. Се разбира, ова е природен резултат, бидејќи напонот на отворено коло е еднаков на енергетската разлика на Ферми помеѓу електроните и дупките во областа на вселенското полнење, а енергетската разлика на Ферми помеѓу електроните и дупките се одредува со брзината на генерирање на носачот и стапката на рекомбинација .