Нарны эсүүд хэрхэн ажилладаг

Нарны эсүүд энгийн батерейны функцийг бий болгохын тулд нарны гэрлийг шингээдэг. Гэхдээ уламжлалт батерейгаас ялгаатай нь уламжлалт батерейны гаралтын хүчдэл ба хамгийн их гаралтын чадал нь тогтмол байдаг бол нарны зайн гаралтын хүчдэл, гүйдэл, хүч нь гэрэлтүүлгийн нөхцөл, ачааллын үйл ажиллагааны цэгүүдээс хамаардаг. Ийм учраас нарны зайг ашиглан цахилгаан эрчим хүч үйлдвэрлэхийн тулд та нарны зайны одоогийн хүчдэлийн хамаарал, ажиллах зарчмыг ойлгох ёстой.

Нарны гэрлийн спектрийн гэрэлтүүлэг:

Нарны зайн энергийн эх үүсвэр нь нарны гэрэл байдаг тул туссан нарны гэрлийн эрч хүч, спектр нь нарны зайнаас гарах гүйдэл ба хүчдэлийг тодорхойлдог. Аливаа зүйлийг нарны доор байрлуулахдаа нарны гэрлийг хоёр янзаар хүлээн авдаг бөгөөд нэг нь нарны шууд тусгал, нөгөө нь гадаргуу дээрх бусад биетээр цацагдсаны дараа сарнисан нарны гэрэл гэдгийг бид мэднэ. Ердийн нөхцөлд нарны зайнаас хүлээн авсан гэрлийн 80 орчим хувийг шууд туссан гэрэл эзэлдэг. Тиймээс бидний дараагийн хэлэлцүүлэгт нарны шууд тусгалд анхаарлаа хандуулах болно.

Нарны гэрлийн эрч хүч, спектрийг спектрийн цацрагаар илэрхийлж болох бөгөөд энэ нь нэгж талбайд ногдох долгионы уртад ногдох гэрлийн хүч юм (W/㎡um). Нарны гэрлийн эрч хүч (W/㎡) нь спектрийн гэрэлтүүлгийн бүх долгионы уртын нийлбэр юм. Нарны гэрлийн спектрийн гэрэлтүүлэг нь хэмжсэн байрлал, дэлхийн гадаргуутай харьцуулахад нарны өнцөгтэй холбоотой байдаг. Учир нь нарны гэрэл дэлхийн гадаргуу дээр хүрэхээс өмнө агаар мандалд шингэж, тархах болно. Байрлал ба өнцгийн хоёр хүчин зүйлийг ерөнхийдөө агаарын масс (AM) гэж нэрлэдэг. Нарны гэрэлтүүлгийн хувьд AMO гэдэг нь нар шууд тусах үед сансар огторгуй дахь нөхцөл байдлыг хэлнэ. Түүний гэрлийн эрчим нь ойролцоогоор 1353 Вт/㎡ бөгөөд энэ нь 5800К температуртай хар биетийн цацрагаас үүссэн гэрлийн эх үүсвэртэй ойролцоо байна. AMI гэдэг нь нар шууд тусах үед 925 Вт/м2 орчим байдаг дэлхийн гадаргуу дээрх нөхцөл байдлыг хэлдэг. AMI.5 нь дэлхийн гадарга дээрх нөхцөл байдлыг хэлдэг бөгөөд нар 45 градусын өнцгөөр тусах үед гэрлийн эрчим нь ойролцоогоор 844 Вт/м2 байна. AM 1.5 нь ерөнхийдөө дэлхийн гадаргуу дээрх нарны гэрлийн дундаж гэрэлтүүлгийг илэрхийлэхэд ашиглагддаг. Нарны зайн хэлхээний загвар:

Гэрэл байхгүй үед нарны зай нь pn холболтын диод шиг ажилладаг. Идеал диодын одоогийн хүчдэлийн хамаарлыг дараах байдлаар илэрхийлж болно

I нь гүйдлийг илэрхийлэх бол V нь хүчдэл, Is нь ханалтын гүйдэл, VT=KBT/q0, KB нь БоИцман тогтмол, q0 нь нэгж цахилгаан цэнэг, T нь температур юм. Өрөөний температурт VT=0.026v. Pn диодын гүйдлийн чиглэлийг төхөөрөмжид P-төрлөөс n-төрөл рүү урсахаар тодорхойлсон бөгөөд хүчдэлийн эерэг ба сөрөг утгыг P-төрлийн терминалын потенциал гэж тодорхойлдог гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. n төрлийн терминалын потенциалыг хасна. Иймд энэ тодорхойлолтыг дагаж мөрдвөл нарны зай ажиллаж байх үед түүний хүчдэлийн утга эерэг, гүйдлийн утга сөрөг, IV муруй нь дөрөвдүгээр квадратад байна. Уншигчид хамгийн тохиромжтой диод гэж нэрлэгддэг олон физик нөхцөл дээр суурилдаг гэдгийг энд сануулах ёстой бөгөөд бодит диодууд нь төхөөрөмжийн гүйдэл-хүчдэлийн хамааралд нөлөөлөх зарим хүчин зүйлтэй байх болно, тухайлбал үүслийн дахин нэгтгэх гүйдэл. нэг их ярилцдаггүй. Нарны зайд гэрэлд өртөх үед pn диод дахь фото гүйдэл үүснэ. pn уулзварын цахилгаан талбайн чиглэл нь n-төрлөөс p-төрөл хүртэл байдаг тул фотонуудын шингээлтээс үүссэн электрон нүхний хосууд нь n-төрлийн төгсгөл рүү, харин нүхнүүд нь p-ийн зүг гүйнэ. - төрөл төгсгөл. Энэ хоёрын үүсгэсэн фото гүйдэл нь n-төрлөөс p-төрөл рүү урсана. Ерөнхийдөө диодын шууд гүйдлийн чиглэл нь p-төрлөөс n-төрөл рүү урсах гэж тодорхойлогддог. Ийм байдлаар, хамгийн тохиромжтой диодтой харьцуулахад нарны зайг гэрэлтүүлэх үед үүсгэсэн фото гүйдэл нь сөрөг гүйдэл юм. Нарны элементийн одоогийн хүчдэлийн хамаарал нь хамгийн тохиромжтой диод ба сөрөг фото гүйдлийн IL бөгөөд түүний хэмжээ нь:

Өөрөөр хэлбэл гэрэл байхгүй үед IL=0 бол нарны зай нь энгийн диод юм. Нарны зай богино залгаатай, өөрөөр хэлбэл V=0 үед богино залгааны гүйдэл Isc=-IL байна. Өөрөөр хэлбэл, нарны зай богино холболттой үед богино залгааны гүйдэл нь туссан гэрлээс үүссэн фото гүйдэл юм. Хэрэв нарны зай нь нээлттэй хэлхээтэй, өөрөөр хэлбэл I=0 бол түүний нээлттэй хэлхээний хүчдэл нь:

Зураг 2. Нарны зайны эквивалент хэлхээ: (а) байхгүй, (б) цуваа ба шунт резистортой. Нээлттэй хэлхээний хүчдэл ба богино залгааны гүйдэл нь нарны эсийн шинж чанарын хоёр чухал үзүүлэлт гэдгийг энд онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй.

Нарны зайны гаралт нь гүйдэл ба хүчдэлийн үржвэр юм.

Нарны зайнаас гарах эрчим хүч нь тогтмол утга биш нь ойлгомжтой. Энэ нь тодорхой гүйдлийн хүчдэлийн ажиллах цэг дээр хамгийн их утгад хүрдэг бөгөөд Pmax гаралтын хүчийг dp/dv=0-ээр тодорхойлж болно. Хамгийн их гаралтын чадал Pmax дээрх гаралтын хүчдэл дараах байдалтай байна гэж бид дүгнэж болно.

ба гаралтын гүйдэл нь:

Нарны зайны гаралтын хамгийн их хүч нь:

Нарны зайны үр ашиг нь туссан гэрлийн хүчийг хамгийн их гаралтын цахилгаан эрчим хүч болгон хувиргах нарны зайны харьцааг хэлнэ, өөрөөр хэлбэл:

Нарны зайн үр ашгийн ерөнхий хэмжилт нь нарны гэрэлтэй төстэй гэрлийн эх үүсвэрийг pin=1000W/㎡ ашигладаг.

Туршилтаар нарны зайн гүйдэл ба хүчдэлийн хамаарал нь дээрх онолын тайлбарыг бүрэн дагаж мөрддөггүй. Учир нь фотоволтайк төхөөрөмж өөрөө цуврал эсэргүүцэл ба шунтын эсэргүүцэл гэж нэрлэгддэг. Аливаа хагас дамжуулагч материал эсвэл хагас дамжуулагч ба металлын контактын хувьд зайлшгүй их бага эсэргүүцэл байх бөгөөд энэ нь фотоволтайк төхөөрөмжийн цуврал эсэргүүцлийг бүрдүүлнэ. Нөгөөтэйгүүр, фотоволтайк төхөөрөмжийн эерэг ба сөрөг электродуудын хоорондох хамгийн тохиромжтой Pn диодоос бусад гүйдлийн зам нь төхөөрөмж дэх үүслийн рекомбинацийн гүйдэл гэх мэт алдагдал гүйдлийг үүсгэдэг. , гадаргууг дахин нэгтгэх гүйдэл, төхөөрөмжийн ирмэгийн бүрэн бус тусгаарлалт, металл контактын нэвтрэлтийн уулзвар.

Ихэвчлэн бид нарны зайн алдагдлын гүйдлийг тодорхойлохдоо шунт эсэргүүцлийг ашигладаг, өөрөөр хэлбэл Rsh=V/Ileak. Шунтын эсэргүүцэл их байх тусам алдагдлын гүйдэл бага байна. Хэрэв бид хамтарсан эсэргүүцэл Rs ба шунтын эсэргүүцлийг Rsh гэж үзвэл нарны элементийн одоогийн хүчдэлийн хамаарлыг дараах байдлаар бичиж болно.

Цуврал эсэргүүцэл ба шунтын эсэргүүцлийн үр нөлөөг нэгтгэн дүгнэхийн тулд дүүргэх хүчин зүйл гэж нэрлэгддэг зөвхөн нэг параметрийг ашиглаж болно. гэж тодорхойлсон:

Цуврал резистор байхгүй, шунтын эсэргүүцэл нь хязгааргүй (алдагдах гүйдэл байхгүй) бол дүүргэх коэффициент хамгийн их байх нь ойлгомжтой. Цуврал эсэргүүцлийн аливаа өсөлт эсвэл шунтын эсэргүүцлийн бууралт нь дүүргэх хүчин зүйлийг бууруулдаг. Энэ замаар,. Нарны зайн үр ашгийг гурван чухал үзүүлэлтээр илэрхийлж болно: нээлттэй хэлхээний хүчдэл Voc, богино залгааны гүйдэл Isc, дүүргэх хүчин зүйл FF.

Мэдээжийн хэрэг, нарны зайны үр ашгийг дээшлүүлэхийн тулд түүний нээлттэй хэлхээний хүчдэл, богино залгааны гүйдэл (өөрөөр хэлбэл фото гүйдэл), дүүргэх хүчин зүйлийг (өөрөөр хэлбэл цуврал эсэргүүцэл ба алдагдлын гүйдлийг багасгах) нэгэн зэрэг нэмэгдүүлэх шаардлагатай.

Нээлттэй хэлхээний хүчдэл ба богино залгааны гүйдэл: Өмнөх томъёоноос харахад нарны зайны нээлттэй хэлхээний хүчдэлийг фото гүйдэл ба ханасан элементээр тодорхойлно. Хагас дамжуулагчийн физикийн үүднээс авч үзвэл задгай хэлхээний хүчдэл нь орон зайн цэнэгийн бүс дэх электрон ба нүхний хоорондох Ферми энергийн зөрүүтэй тэнцүү байна. Хамгийн тохиромжтой Pn диодын ханалтын гүйдлийн хувьд та дараахь зүйлийг ашиглаж болно.

илэрхийлэх. Энд q0 нь нэгж цэнэгийг, ni нь хагас дамжуулагчийн дотоод зөөвөрлөгчийн концентрацийг, ND ба NA нь донор ба хүлээн авагчийн концентрацийг, Dn ба Dp нь электрон ба нүхний тархалтын коэффициентийг, дээрх илэрхийлэл нь n гэж таамаглаж байна. - Төрөл муж болон p төрлийн муж хоёулаа өргөн байх тохиолдол. Ерөнхийдөө p төрлийн субстратыг ашигладаг нарны зайны хувьд n төрлийн талбай нь маш гүехэн бөгөөд дээрх илэрхийллийг өөрчлөх шаардлагатай.

Нарны зайг гэрэлтүүлэхэд фото гүйдэл үүсдэг ба фото гүйдэл нь нарны зайны гүйдэл-хүчдэлийн хамаарал дахь битүү хэлхээний гүйдэл гэдгийг бид дээр дурдсан. Энд бид фото гүйдлийн гарал үүслийг товч тайлбарлах болно. Нэгж хугацаанд нэгж эзэлхүүн дэх тээвэрлэгчдийн үүсэх хурдыг (нэгж м -3 с -1 ) гэрлийн шингээлтийн коэффициентээр тодорхойлно.

Тэдгээрийн дотроос α нь гэрэл шингээлтийн коэффициент буюу туссан фотонуудын эрчмийг (эсвэл фотоны урсгалын нягт), R нь тусгалын коэффициентийг илэрхийлдэг тул тусгалаа олсон фотонуудын эрчмийг илэрхийлдэг. Фото гүйдлийг үүсгэдэг гурван үндсэн механизм нь: p төрлийн муж дахь цөөнхийн тээвэрлэгч электронуудын тархалтын гүйдэл, n төрлийн муж дахь цөөнхийн тээвэрлэгчийн нүхний тархалтын гүйдэл, орон зайн цэнэгийн бүс дэх электрон ба нүхний шилжилт хөдөлгөөн. Одоогийн. Тиймээс фото гүйдлийг ойролцоогоор дараах байдлаар илэрхийлж болно.

Тэдгээрийн дотроос Ln ба Lp тус бүр нь p хэлбэрийн муж дахь электронуудын тархалтын урт, n төрлийн бүс дэх нүхийг илэрхийлэх ба орон зайн цэнэгийн бүсийн өргөн юм. Эдгээр үр дүнг нэгтгэн дүгнэж үзвэл бид нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн энгийн илэрхийлэлийг олж авна.

Энд Vrcc нь нэгж эзэлхүүн дэх электрон нүхний хосуудын рекомбинацын хурдыг илэрхийлнэ. Мэдээжийн хэрэг, энэ нь байгалийн үр дүн юм, учир нь задгай хэлхээний хүчдэл нь зайны цэнэгийн бүсийн электрон ба нүхний хоорондох Ферми энергийн зөрүүтэй тэнцүү бөгөөд электрон ба нүхний хоорондох Ферми энергийн зөрүү нь тээвэрлэгч үүсгэх хурд ба рекомбинацын хурдаар тодорхойлогддог. .