सौर पेशी कसे कार्य करतात

सौर पेशी सामान्य बॅटरीची कार्ये तयार करण्यासाठी सूर्यप्रकाश शोषून घ्या. परंतु पारंपारिक बॅटरीच्या विपरीत, पारंपारिक बॅटरीचे आउटपुट व्होल्टेज आणि कमाल आउटपुट पॉवर निश्चित केले जातात, तर आउटपुट व्होल्टेज, करंट आणि सौर सेलची शक्ती प्रकाश परिस्थिती आणि लोड ऑपरेटिंग पॉइंट्सशी संबंधित असतात. यामुळे, वीज निर्माण करण्यासाठी सौर पेशींचा वापर करण्यासाठी, तुम्हाला करंट-व्होल्टेज संबंध आणि सौर पेशींचे कार्य तत्त्व समजून घेणे आवश्यक आहे.

सूर्यप्रकाशाचा वर्णक्रमीय प्रकाश:

सौर पेशींचा ऊर्जेचा स्त्रोत सूर्यप्रकाश आहे, म्हणून घटना सूर्यप्रकाशाची तीव्रता आणि स्पेक्ट्रम सौर सेलद्वारे वर्तमान आणि व्होल्टेज आउटपुट निर्धारित करतात. आपल्याला माहित आहे की जेव्हा एखादी वस्तू सूर्याखाली ठेवली जाते तेव्हा तिला दोन प्रकारे सूर्यप्रकाश मिळतो, एक म्हणजे थेट सूर्यप्रकाश आणि दुसरा म्हणजे पृष्ठभागावरील इतर वस्तूंद्वारे विखुरलेला सूर्यप्रकाश. सामान्य परिस्थितीत, सौर सेलद्वारे प्राप्त झालेल्या प्रकाशाच्या सुमारे 80% थेट घटना प्रकाशाचा वाटा असतो. म्हणून, आमची पुढील चर्चा सूर्यप्रकाशाच्या थेट प्रदर्शनावर देखील लक्ष केंद्रित करेल.

सूर्यप्रकाशाची तीव्रता आणि स्पेक्ट्रम स्पेक्ट्रम विकिरणाने व्यक्त केले जाऊ शकते, जी प्रकाश शक्ती प्रति युनिट तरंगलांबी प्रति युनिट क्षेत्र (W/㎡um) आहे. सूर्यप्रकाशाची तीव्रता (W/㎡) ही स्पेक्ट्रम प्रदीपनच्या सर्व तरंगलांबींची बेरीज आहे. सूर्यप्रकाशाचा स्पेक्ट्रम प्रदीपन पृथ्वीच्या पृष्ठभागाच्या सापेक्ष मोजलेल्या स्थितीशी आणि सूर्याच्या कोनाशी संबंधित आहे. कारण सूर्यप्रकाश पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर येण्यापूर्वी वातावरणाद्वारे शोषले जाईल आणि विखुरले जाईल. स्थिती आणि कोन हे दोन घटक सामान्यतः तथाकथित वायु वस्तुमान (AM) द्वारे दर्शविले जातात. सौर प्रदीपनासाठी, AMO बाह्य अवकाशातील परिस्थितीचा संदर्भ देते जेव्हा सूर्य थेट चमकत असतो. त्याची प्रकाश तीव्रता अंदाजे 1353 W/㎡ आहे, जी 5800K तापमानासह ब्लॅकबॉडी रेडिएशनद्वारे तयार केलेल्या प्रकाश स्रोताच्या अंदाजे समतुल्य आहे. AMI पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील परिस्थितीचा संदर्भ देते, जेव्हा सूर्य थेट चमकत असतो तेव्हा प्रकाशाची तीव्रता सुमारे 925 W/m2 असते. AMI.5 पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील परिस्थितीचा संदर्भ देते, जेव्हा सूर्य 45 अंशांच्या कोनात येतो तेव्हा प्रकाशाची तीव्रता सुमारे 844 W/m2 असते. AM 1.5 हे साधारणपणे पृथ्वीच्या पृष्ठभागावरील सूर्यप्रकाशाच्या सरासरी प्रकाशाचे प्रतिनिधित्व करण्यासाठी वापरले जाते. सौर सेल सर्किट मॉडेल:

जेव्हा प्रकाश नसतो, तेव्हा सौर सेल पीएन जंक्शन डायोडप्रमाणे वागतो. आदर्श डायोडचा वर्तमान-व्होल्टेज संबंध म्हणून व्यक्त केला जाऊ शकतो

जेथे मी विद्युत् प्रवाह दर्शवितो, V व्होल्टेजचे प्रतिनिधित्व करतो, हे संपृक्तता प्रवाह आहे आणि VT=KBT/q0, जेथे KB हे BoItzmann स्थिरांक दर्शवते, q0 हे युनिट विद्युत शुल्क आहे आणि T हे तापमान आहे. खोलीच्या तपमानावर, VT=0.026v. हे लक्षात घेतले पाहिजे की Pn डायोड प्रवाहाची दिशा यंत्रामध्ये P-type वरून n-type पर्यंत प्रवाहित करण्यासाठी परिभाषित केली जाते आणि व्होल्टेजची सकारात्मक आणि नकारात्मक मूल्ये P-प्रकार टर्मिनल पोटेंशिअल म्हणून परिभाषित केली जातात. वजा n-प्रकार टर्मिनल संभाव्यता. म्हणून, ही व्याख्या पाळल्यास, जेव्हा सौर सेल कार्यरत असेल, तेव्हा त्याचे व्होल्टेज मूल्य सकारात्मक असते, त्याचे वर्तमान मूल्य ऋण असते आणि IV वक्र चौथ्या चतुर्थांशात असते. वाचकांना येथे आठवण करून दिली पाहिजे की तथाकथित आदर्श डायोड अनेक भौतिक परिस्थितींवर आधारित आहे, आणि वास्तविक डायोडमध्ये नैसर्गिकरित्या काही नॉन-आदर्श घटक असतात जे उपकरणाच्या वर्तमान-व्होल्टेज संबंधांवर परिणाम करतात, जसे की पिढी-पुनर्संयोजन करंट, येथे आम्ही जिंकू' त्यावर जास्त चर्चा करू नका. जेव्हा सौर सेल प्रकाशाच्या संपर्कात येतो तेव्हा pn डायोडमध्ये फोटोकरंट असेल. pn जंक्शनची अंगभूत विद्युत क्षेत्र दिशा n-प्रकार ते p-प्रकार असल्यामुळे, फोटॉनच्या शोषणामुळे निर्माण होणाऱ्या इलेक्ट्रॉन-होल जोड्या n-प्रकारच्या टोकाकडे धावतील, तर छिद्रे p कडे धावतील. - प्रकार समाप्त. दोघांनी तयार केलेला फोटोकरंट एन-टाइपकडून पी-टाइपकडे प्रवाहित होईल. साधारणपणे, डायोडची फॉरवर्ड करंट दिशा म्हणजे p-type कडून n-type कडे वाहणारी अशी व्याख्या केली जाते. अशाप्रकारे, आदर्श डायोडच्या तुलनेत, सौर सेलद्वारे प्रकाशीत केल्यावर निर्माण होणारा फोटोकरंट हा ऋण प्रवाह असतो. सौर सेलचा वर्तमान-व्होल्टेज संबंध हा आदर्श डायोड अधिक नकारात्मक फोटोकरंट IL आहे, ज्याचे परिमाण आहे:

दुसऱ्या शब्दांत, जेव्हा प्रकाश नसतो, IL=0, तेव्हा सौर सेल हा एक सामान्य डायोड असतो. जेव्हा सौर सेल शॉर्ट-सर्किट असतो, म्हणजे, V=0, शॉर्ट-सर्किट करंट Isc=-IL असतो. म्हणजेच, जेव्हा सौर सेल शॉर्ट-सर्किट असतो, तेव्हा शॉर्ट-सर्किट करंट हा घटना प्रकाशाद्वारे तयार होणारा फोटोकरंट असतो. जर सौर सेल ओपन सर्किट असेल, म्हणजे, जर I=0 असेल, तर त्याचे ओपन सर्किट व्होल्टेज आहे:

आकृती 2. सौर सेलचे समतुल्य सर्किट: (a) शिवाय, (b) मालिका आणि शंट प्रतिरोधकांसह. येथे यावर जोर देणे आवश्यक आहे की ओपन सर्किट व्होल्टेज आणि शॉर्ट सर्किट करंट हे सौर सेल वैशिष्ट्यांचे दोन महत्त्वाचे पॅरामीटर्स आहेत.

सौर सेलचे पॉवर आउटपुट हे वर्तमान आणि व्होल्टेजचे उत्पादन आहे:

अर्थात, सौर सेलद्वारे उर्जा उत्पादन निश्चित मूल्य नाही. हे एका विशिष्ट वर्तमान-व्होल्टेज ऑपरेटिंग पॉइंटवर कमाल मूल्यापर्यंत पोहोचते आणि कमाल आउटपुट पॉवर Pmax dp/dv=0 द्वारे निर्धारित केले जाऊ शकते. जास्तीत जास्त आउटपुट पॉवर Pmax वर आउटपुट व्होल्टेज आहे हे आपण काढू शकतो:

आणि आउटपुट वर्तमान आहे:

सोलर सेलची कमाल आउटपुट पॉवर आहे:

सौर सेलची कार्यक्षमता घटना प्रकाशाच्या पॉवर पिनला जास्तीत जास्त आउटपुट इलेक्ट्रिकल पॉवरमध्ये रूपांतरित करणाऱ्या सौर सेलच्या गुणोत्तराचा संदर्भ देते, म्हणजे:

सामान्य सौर सेल कार्यक्षमता मोजमाप सूर्यप्रकाशाप्रमाणेच पिन = 1000W/㎡ सह प्रकाश स्रोत वापरतात.

प्रायोगिकदृष्ट्या, सौर पेशींचा वर्तमान-व्होल्टेज संबंध वरील सैद्धांतिक वर्णनाचे पूर्णपणे पालन करत नाही. याचे कारण असे की फोटोव्होल्टेइक उपकरणामध्ये तथाकथित मालिका प्रतिरोध आणि शंट प्रतिरोध असतो. कोणत्याही सेमीकंडक्टर सामग्रीसाठी, किंवा सेमीकंडक्टर आणि धातू यांच्यातील संपर्कासाठी, अपरिहार्यपणे जास्त किंवा कमी प्रतिकार असेल, जो फोटोव्होल्टेइक उपकरणाच्या मालिकेतील प्रतिकार तयार करेल. दुसरीकडे, फोटोव्होल्टेइक यंत्राच्या सकारात्मक आणि नकारात्मक इलेक्ट्रोड्समधील आदर्श Pn डायोड व्यतिरिक्त इतर कोणत्याही वर्तमान मार्गामुळे तथाकथित गळती करंट, जसे की यंत्रातील जनरेशन-रिकॉम्बिनेशन करंट होईल. , पृष्ठभाग पुनर्संयोजन करंट, डिव्हाइसचे अपूर्ण किनार वेगळे करणे आणि धातू संपर्क प्रवेश जंक्शन.

सहसा, आम्ही सौर पेशींच्या गळती करंटची व्याख्या करण्यासाठी शंट प्रतिरोध वापरतो, म्हणजेच Rsh=V/Ileak. शंट प्रतिरोध जितका मोठा असेल तितका गळती करंट कमी असेल. संयुक्त प्रतिकार Rs आणि शंट प्रतिरोध Rsh विचारात घेतल्यास, सौर सेलचे वर्तमान-व्होल्टेज संबंध असे लिहिले जाऊ शकतात:

सीरिज रेझिस्टन्स आणि शंट रेझिस्टन्स या दोन्ही परिणामांचा सारांश देण्यासाठी आम्ही फक्त एक पॅरामीटर, तथाकथित फिल फॅक्टर वापरू शकतो. म्हणून परिभाषित:

हे स्पष्ट आहे की जर सिरीज रेझिस्टर नसेल आणि शंट रेझिस्टन्स अनंत असेल तर फिल फॅक्टर जास्तीत जास्त असेल (लीकेज करंट नसेल). मालिकेतील प्रतिकारात कोणतीही वाढ किंवा शंट प्रतिरोध कमी झाल्यास भरण घटक कमी होईल. अशा प्रकारे,. सौर पेशींची कार्यक्षमता तीन महत्त्वाच्या पॅरामीटर्सद्वारे व्यक्त केली जाऊ शकते: ओपन सर्किट व्होल्टेज व्होक, शॉर्ट सर्किट करंट Isc आणि फिल फॅक्टर FF.

साहजिकच, सौर सेलची कार्यक्षमता सुधारण्यासाठी, त्याचे ओपन सर्किट व्होल्टेज, शॉर्ट सर्किट करंट (म्हणजे फोटोकरंट) आणि फिल फॅक्टर (म्हणजे, मालिका प्रतिरोध आणि गळती करंट कमी करणे) एकाच वेळी वाढवणे आवश्यक आहे.

ओपन सर्किट व्होल्टेज आणि शॉर्ट सर्किट करंट: मागील सूत्रानुसार, सौर सेलचे ओपन सर्किट व्होल्टेज फोटोकरंट आणि सॅच्युरेटेड सेलद्वारे निर्धारित केले जाते. सेमीकंडक्टर फिजिक्सच्या दृष्टीकोनातून, ओपन सर्किट व्होल्टेज हे स्पेस चार्ज क्षेत्रामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांमधील फर्मी उर्जा फरकाच्या बरोबरीचे आहे. आदर्श पीएन डायोडच्या संपृक्तता प्रवाहासाठी, तुम्ही हे वापरू शकता:

व्यक्त करण्यासाठी. जेथे q0 युनिट चार्जचे प्रतिनिधित्व करतो, ni अर्धसंवाहकाच्या आंतरिक वाहक एकाग्रतेचे प्रतिनिधित्व करतो, ND आणि NA प्रत्येक दाता आणि स्वीकारकर्त्याच्या एकाग्रतेचे प्रतिनिधित्व करतो, Dn आणि Dp प्रत्येक इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांच्या प्रसार गुणांकाचे प्रतिनिधित्व करतो, वरील अभिव्यक्ती n गृहीत धरत आहे - केस जेथे प्रकार क्षेत्र आणि p-प्रकार क्षेत्र दोन्ही विस्तृत आहेत. सामान्यतः, p-प्रकार सब्सट्रेट्स वापरणाऱ्या सौर पेशींसाठी, n-प्रकारचे क्षेत्रफळ खूप उथळ असते आणि वरील अभिव्यक्ती सुधारणे आवश्यक असते.

आम्ही आधी उल्लेख केला आहे की जेव्हा सौर सेल प्रकाशित होतो तेव्हा एक फोटोकरंट तयार होतो आणि सौर सेलच्या वर्तमान-व्होल्टेज संबंधात फोटोकरंट हा क्लोज-सर्किट प्रवाह असतो. येथे आपण फोटोकरंटच्या उत्पत्तीचे थोडक्यात वर्णन करू. प्रति युनिट वेळेत (एकक m -3 s -1 ) युनिट व्हॉल्यूममधील वाहकांचा निर्मिती दर प्रकाश शोषण गुणांकाने निर्धारित केला जातो, म्हणजे

त्यापैकी, α हा प्रकाश शोषण गुणांक दर्शवतो, जो घटना फोटॉनची तीव्रता (किंवा फोटॉन फ्लक्स घनता) आहे आणि R हा परावर्तन गुणांक दर्शवितो, म्हणून तो परावर्तित न होणाऱ्या घटना फोटॉनची तीव्रता दर्शवतो. फोटोक्युरंट निर्माण करणाऱ्या तीन मुख्य यंत्रणा आहेत: p-प्रकारच्या प्रदेशात अल्पसंख्याक वाहक इलेक्ट्रॉनचा प्रसार प्रवाह, n-प्रकार प्रदेशातील अल्पसंख्याक वाहक छिद्रांचा प्रसार प्रवाह आणि स्पेस चार्ज प्रदेशात इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांचा प्रवाह. वर्तमान म्हणून, फोटोकरंट अंदाजे असे व्यक्त केले जाऊ शकते:

त्यापैकी, Ln आणि Lp प्रत्येक p-प्रकार प्रदेशातील इलेक्ट्रॉनच्या प्रसार लांबीचे आणि n-प्रकारच्या प्रदेशातील छिद्रांचे प्रतिनिधित्व करतात आणि स्पेस चार्ज क्षेत्राची रुंदी असते. या परिणामांचा सारांश, आम्हाला ओपन सर्किट व्होल्टेजसाठी एक साधी अभिव्यक्ती मिळते:

जेथे Vrcc प्रति युनिट व्हॉल्यूम इलेक्ट्रॉन-होल जोड्यांच्या पुनर्संयोजन दराचे प्रतिनिधित्व करते. अर्थात, हा एक नैसर्गिक परिणाम आहे, कारण ओपन सर्किट व्होल्टेज हे स्पेस चार्ज क्षेत्रामध्ये इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांमधील फर्मी उर्जेच्या फरकाच्या बरोबरीचे आहे आणि इलेक्ट्रॉन आणि छिद्रांमधील फर्मी ऊर्जा फरक वाहक निर्मिती दर आणि पुनर्संयोजन दराद्वारे निर्धारित केला जातो. .