Bagaimana sel solar berfungsi

sel suria menyerap cahaya matahari untuk menghasilkan fungsi bateri biasa. Tetapi tidak seperti bateri tradisional, voltan keluaran dan kuasa keluaran maksimum bateri tradisional adalah tetap, manakala voltan keluaran, arus dan kuasa sel suria berkaitan dengan keadaan pencahayaan dan titik operasi beban. Oleh sebab itu, untuk menggunakan sel solar untuk menjana elektrik, anda mesti memahami hubungan voltan semasa dan prinsip kerja sel solar.

Pencahayaan spektrum cahaya matahari:

Sumber tenaga sel suria ialah cahaya matahari, jadi keamatan dan spektrum cahaya matahari kejadian menentukan keluaran arus dan voltan oleh sel suria. Kita tahu bahawa apabila sesuatu objek diletakkan di bawah matahari, ia menerima cahaya matahari dalam dua cara, satu adalah cahaya matahari langsung, dan satu lagi adalah cahaya matahari meresap selepas bertaburan oleh objek lain di permukaan. Dalam keadaan biasa, cahaya kejadian langsung menyumbang kira-kira 80% daripada cahaya yang diterima oleh sel suria. Oleh itu, perbincangan kami berikut juga akan memberi tumpuan kepada pendedahan langsung kepada cahaya matahari.

Keamatan dan spektrum cahaya matahari boleh dinyatakan dengan sinaran spektrum, iaitu kuasa cahaya per unit panjang gelombang per unit luas (W/㎡um). Keamatan cahaya matahari (W/㎡) ialah jumlah semua panjang gelombang pencahayaan spektrum. Pencahayaan spektrum cahaya matahari adalah berkaitan dengan kedudukan yang diukur dan sudut matahari berbanding permukaan bumi. Ini kerana cahaya matahari akan diserap dan diserakkan oleh atmosfera sebelum sampai ke permukaan bumi. Kedua-dua faktor kedudukan dan sudut secara amnya diwakili oleh apa yang dipanggil jisim udara (AM). Untuk pencahayaan suria, AMO merujuk kepada keadaan di angkasa lepas apabila matahari terus bersinar. Keamatan cahayanya adalah lebih kurang 1353 W/㎡, yang lebih kurang sama dengan sumber cahaya yang dihasilkan oleh sinaran badan hitam dengan suhu 5800K. AMI merujuk kepada keadaan di permukaan bumi, apabila matahari bersinar secara langsung, keamatan cahaya adalah kira-kira 925 W/m2. AMI.5 merujuk kepada keadaan di permukaan bumi, apabila matahari berada pada sudut 45 darjah, keamatan cahaya adalah kira-kira 844 W/m2. AM 1.5 biasanya digunakan untuk mewakili pencahayaan purata cahaya matahari di permukaan bumi. Model litar sel suria:

Apabila tiada cahaya, sel suria berkelakuan seperti diod simpang pn. Hubungan arus-voltan diod ideal boleh dinyatakan sebagai

Di mana I mewakili arus, V mewakili voltan, Is ialah arus tepu, dan VT=KBT/q0, di mana KB mewakili pemalar BoItzmann, q0 ialah cas elektrik unit, dan T ialah suhu. Pada suhu bilik, VT=0.026v. Perlu diingatkan bahawa arah arus diod Pn ditakrifkan untuk mengalir dari jenis-P ke jenis-n dalam peranti, dan nilai positif dan negatif voltan ditakrifkan sebagai potensi terminal jenis-P. tolak potensi terminal jenis-n. Oleh itu, jika definisi ini diikuti, apabila sel suria berfungsi, nilai voltannya adalah positif, nilai semasanya negatif, dan lengkung IV berada dalam kuadran keempat. Pembaca mesti diingatkan di sini bahawa apa yang dipanggil diod ideal adalah berdasarkan banyak keadaan fizikal, dan diod sebenar secara semula jadi akan mempunyai beberapa faktor bukan ideal yang mempengaruhi hubungan voltan semasa peranti, seperti arus penjanaan-penggabungan semula, di sini Kami menang' t membincangkannya dengan banyak. Apabila sel suria terdedah kepada cahaya, akan ada arus foto dalam diod pn. Oleh kerana arah medan elektrik terbina dalam persimpangan pn adalah dari jenis-n ke jenis-p, pasangan lubang elektron yang dihasilkan oleh penyerapan foton akan berjalan ke arah hujung jenis-n, manakala lubang akan berjalan ke arah p. -jenis hujung. Arus foto yang terbentuk oleh kedua-duanya akan mengalir dari jenis-n ke jenis-p. Secara amnya, arah arus hadapan diod ditakrifkan sebagai mengalir dari jenis-p ke jenis-n. Dengan cara ini, berbanding dengan diod yang ideal, arus foto yang dihasilkan oleh sel suria apabila diterangi adalah arus negatif. Hubungan voltan semasa sel suria ialah diod ideal ditambah IL arus foto negatif, yang magnitudnya ialah:

Dengan kata lain, apabila tiada cahaya, IL=0, sel suria hanyalah diod biasa. Apabila sel suria litar pintas, iaitu, V=0, arus litar pintas ialah Isc=-IL. Maksudnya, apabila sel solar litar pintas, arus litar pintas ialah arus foto yang dihasilkan oleh cahaya kejadian. Jika sel suria adalah litar terbuka, iaitu, jika I=0, voltan litar terbukanya ialah:

Rajah 2. Litar setara sel suria: (a) tanpa, (b) dengan perintang siri dan shunt. Perlu ditekankan di sini bahawa voltan litar terbuka dan arus litar pintas adalah dua parameter penting bagi ciri sel suria.

Keluaran kuasa sel suria adalah hasil daripada arus dan voltan:

Jelas sekali, output kuasa oleh sel suria bukanlah nilai tetap. Ia mencapai nilai maksimum pada titik operasi voltan semasa tertentu, dan kuasa output maksimum Pmax boleh ditentukan dengan dp/dv=0. Kita boleh menyimpulkan bahawa voltan keluaran pada kuasa keluaran maksimum Pmax ialah:

dan arus keluaran ialah:

Kuasa keluaran maksimum sel suria ialah:

Kecekapan sel suria merujuk kepada nisbah sel suria yang menukarkan Pin kuasa cahaya kejadian kepada kuasa elektrik keluaran maksimum, iaitu:

Pengukuran kecekapan sel suria am menggunakan sumber cahaya yang serupa dengan cahaya matahari dengan pin=1000W/㎡.

Secara eksperimen, hubungan arus-voltan sel suria tidak sepenuhnya mengikut penerangan teori di atas. Ini kerana peranti fotovoltaik itu sendiri mempunyai apa yang dipanggil rintangan siri dan rintangan shunt. Bagi mana-mana bahan semikonduktor, atau sentuhan antara semikonduktor dan logam, pasti akan ada rintangan yang lebih besar atau lebih kecil, yang akan membentuk rintangan siri peranti fotovoltaik. Sebaliknya, sebarang laluan arus selain daripada diod Pn yang ideal antara elektrod positif dan negatif peranti fotovoltaik akan menyebabkan arus bocor yang dipanggil, seperti arus penjanaan-penggabungan semula dalam peranti. , arus gabungan semula permukaan, pengasingan tepi peranti yang tidak lengkap, dan simpang penembusan sentuhan logam.

Biasanya, kami menggunakan rintangan shunt untuk menentukan arus kebocoran sel suria, iaitu, Rsh=V/Ileak. Semakin besar rintangan shunt, semakin kecil arus bocor. Jika kita menganggap rintangan sendi Rs dan rintangan shunt Rsh, hubungan voltan semasa sel suria boleh ditulis sebagai:

Kita juga boleh menggunakan hanya satu parameter, yang dipanggil faktor isian, untuk meringkaskan kedua-dua kesan rintangan siri dan rintangan shunt. ditakrifkan sebagai:

Jelas sekali bahawa faktor isian adalah maksimum jika tiada perintang siri dan rintangan shunt adalah tidak terhingga (tiada arus bocor). Sebarang peningkatan rintangan siri atau penurunan rintangan shunt akan mengurangkan faktor isian. Dengan cara ini,. Kecekapan sel suria boleh dinyatakan dengan tiga parameter penting: voltan litar terbuka Voc, arus litar pintas Isc, dan faktor isian FF.

Jelas sekali, untuk meningkatkan kecekapan sel suria, adalah perlu untuk meningkatkan voltan litar terbuka, arus litar pintas (iaitu arus foto), dan faktor isian (iaitu mengurangkan rintangan siri dan arus bocor) secara serentak.

Voltan litar terbuka dan arus litar pintas: Berdasarkan formula sebelumnya, voltan litar terbuka sel suria ditentukan oleh arus foto dan sel tepu. Dari perspektif fizik semikonduktor, voltan litar terbuka adalah sama dengan perbezaan tenaga Fermi antara elektron dan lubang di kawasan cas ruang. Bagi arus tepu diod Pn yang ideal, anda boleh menggunakan:

untuk menyatakan. di mana q0 mewakili cas unit, ni mewakili kepekatan pembawa intrinsik semikonduktor, ND dan NA masing-masing mewakili kepekatan penderma dan penerima, Dn dan Dp masing-masing mewakili pekali resapan elektron dan lubang, ungkapan di atas mengandaikan n - Kes di mana kedua-dua kawasan jenis dan kawasan jenis-p kedua-duanya adalah lebar. Secara amnya, untuk sel suria yang menggunakan substrat jenis-p, kawasan jenis-n adalah sangat cetek, dan ungkapan di atas perlu diubah suai.

Kami menyebut sebelum ini bahawa apabila sel suria diterangi, arus foto dihasilkan, dan arus foto ialah arus litar tertutup dalam hubungan voltan arus sel suria. Di sini kita akan menerangkan secara ringkas asal usul photocurrent. Kadar penjanaan pembawa dalam isipadu unit seunit masa (unit m -3 s -1 ) ditentukan oleh pekali penyerapan cahaya, iaitu

Antaranya, α mewakili pekali penyerapan cahaya, iaitu keamatan foton kejadian (atau ketumpatan fluks foton), dan R merujuk kepada pekali pantulan, jadi ia mewakili keamatan foton kejadian yang tidak dipantulkan. Tiga mekanisme utama yang menjana arus foto ialah: arus resapan elektron pembawa minoriti di rantau jenis p, arus resapan lubang pembawa minoriti di rantau jenis-n, dan hanyutan elektron dan lubang di kawasan cas angkasa. semasa. Oleh itu, arus foto boleh lebih kurang dinyatakan sebagai:

Antaranya, Ln dan Lp masing-masing mewakili panjang resapan elektron dalam rantau jenis-p dan lubang dalam kawasan jenis-n, dan merupakan lebar kawasan cas ruang. Merumuskan keputusan ini, kami mendapat ungkapan mudah untuk voltan litar terbuka:

di mana Vrcc mewakili kadar penggabungan semula pasangan lubang elektron per unit isipadu. Sudah tentu, ini adalah hasil semula jadi, kerana voltan litar terbuka adalah sama dengan perbezaan tenaga Fermi antara elektron dan lubang di kawasan cas ruang, dan perbezaan tenaga Fermi antara elektron dan lubang ditentukan oleh kadar penjanaan pembawa dan kadar penggabungan semula. .