Kif jaħdmu ċ-ċelloli solari

Ċelloli solari jassorbu d-dawl tax-xemx biex jipproduċu l-funzjonijiet ta 'batteriji ordinarji. Iżda b'differenza mill-batteriji tradizzjonali, il-vultaġġ tal-ħruġ u l-qawwa massima tal-ħruġ tal-batteriji tradizzjonali huma fissi, filwaqt li l-vultaġġ tal-ħruġ, il-kurrent u l-qawwa taċ-ċelloli solari huma relatati mal-kundizzjonijiet tad-dawl u l-punti operattivi tat-tagħbija. Minħabba dan, biex tuża ċelloli solari biex tiġġenera l-elettriku, trid tifhem ir-relazzjoni tal-vultaġġ kurrenti u l-prinċipju tax-xogħol taċ-ċelloli solari.

Illuminazzjoni spettrali tad-dawl tax-xemx:

Is-sors tal-enerġija taċ-ċelloli solari huwa d-dawl tax-xemx, għalhekk l-intensità u l-ispettru tad-dawl tax-xemx inċidenti jiddeterminaw il-ħruġ tal-kurrent u l-vultaġġ miċ-ċellula solari. Nafu li meta oġġett jitqiegħed taħt ix-xemx, jirċievi dawl tax-xemx b'żewġ modi, wieħed huwa dawl tax-xemx dirett, u l-ieħor huwa dawl tax-xemx imxerred wara li jkun imxerred minn oġġetti oħra fuq il-wiċċ. Taħt ċirkostanzi normali, id-dawl inċidentali dirett jammonta għal madwar 80% tad-dawl riċevut minn ċellula solari. Għalhekk, id-diskussjoni li ġejja tagħna se tiffoka wkoll fuq l-espożizzjoni diretta għad-dawl tax-xemx.

L-intensità u l-ispettru tad-dawl tax-xemx jistgħu jiġu espressi bl-irradjanza tal-ispettru, li hija l-qawwa tad-dawl għal kull unità ta 'wavelength għal kull unità ta' żona (W/㎡um). L-intensità tad-dawl tax-xemx (W/㎡) hija s-somma tal-wavelengths kollha tal-illuminazzjoni tal-ispettru. L-illuminazzjoni tal-ispettru tad-dawl tax-xemx hija relatata mal-pożizzjoni mkejla u l-angolu tax-xemx relattiv mal-wiċċ tad-dinja. Dan għaliex id-dawl tax-xemx se jiġi assorbit u mferrex mill-atmosfera qabel ma jilħaq il-wiċċ tad-dinja. Iż-żewġ fatturi ta 'pożizzjoni u angolu huma ġeneralment rappreżentati mill-hekk imsejħa massa ta' l-arja (AM). Għall-illuminazzjoni solari, AMO tirreferi għas-sitwazzjoni fl-ispazju ta 'barra meta x-xemx tiddi direttament. L-intensità tad-dawl tagħha hija ta 'madwar 1353 W/㎡, li hija bejn wieħed u ieħor ekwivalenti għas-sors tad-dawl prodott mir-radjazzjoni tal-ġisem iswed b'temperatura ta' 5800K. AMI tirreferi għas-sitwazzjoni fuq il-wiċċ tad-dinja, meta x-xemx tiddi direttament, l-intensità tad-dawl hija ta 'madwar 925 W/m2. AMI.5 tirreferi għas-sitwazzjoni fuq il-wiċċ tad-dinja, meta x-xemx tkun inċidentali f'angolu ta '45 grad, l-intensità tad-dawl hija ta' madwar 844 W/m2. AM 1.5 ġeneralment jintuża biex jirrappreżenta l-illuminazzjoni medja tad-dawl tax-xemx fuq il-wiċċ tad-dinja. Mudell taċ-ċirkwit taċ-ċelloli solari:

Meta ma jkunx hemm dawl, ċellula solari ġġib ruħha bħal dajowd tal-junction pn. Ir-relazzjoni tal-kurrent-vultaġġ ta 'dijodu ideali tista' tiġi espressa bħala

Fejn I jirrappreżenta l-kurrent, V jirrappreżenta l-vultaġġ, Is huwa l-kurrent ta 'saturazzjoni, u VT=KBT/q0, fejn KB jirrappreżenta l-kostanti BoItzmann, q0 hija l-unità ta' ħlas elettriku, u T hija t-temperatura. F'temperatura tal-kamra, VT=0.026v. Għandu jiġi nnutat li d-direzzjoni tal-kurrent tad-dijodu Pn hija definita biex tgħaddi minn tip P għal tip n fl-apparat, u l-valuri pożittivi u negattivi tal-vultaġġ huma definiti bħala l-potenzjal terminali tat-tip P nieqes il-potenzjal terminali tat-tip n. Għalhekk, jekk tiġi segwita din id-definizzjoni, meta ċ-ċellula solari tkun qed taħdem, il-valur tal-vultaġġ tagħha huwa pożittiv, il-valur kurrenti tiegħu huwa negattiv, u l-kurva IV tinsab fir-raba 'kwadrant. Qarrejja għandhom jiġu mfakkra hawn li l-hekk imsejħa dajowd ideali huwa bbażat fuq ħafna kundizzjonijiet fiżiċi, u diodes attwali naturalment se jkollhom xi fatturi mhux ideali li jaffettwaw ir-relazzjoni kurrenti-vultaġġ ta ' l-apparat, bħall-ġenerazzjoni ta ' rikombinazzjoni kurrenti, hawn Aħna won' t tiddiskutiha ħafna. Meta ċ-ċellula solari tkun esposta għad-dawl, se jkun hemm fotokurrent fid-dijodu pn. Minħabba li d-direzzjoni tal-kamp elettriku inkorporat tal-junction pn hija minn tip n għal tip p, il-pari tal-elettron-toqba ġġenerati mill-assorbiment tal-fotoni se jimxu lejn it-tarf tat-tip n, filwaqt li t-toqob se jimxu lejn il-p -tarf tat-tip. Il-fotokurrent iffurmat mit-tnejn se joħroġ minn tip n għal tip p. Ġeneralment, id-direzzjoni tal-kurrent 'il quddiem ta' dijodu hija definita bħala li tiċċirkola minn tip p għal tip n. B'dan il-mod, meta mqabbel ma 'dijodu ideali, il-fotokurrent iġġenerat minn ċellula solari meta mdawwal huwa kurrent negattiv. Ir-relazzjoni tal-kurrent-vultaġġ taċ-ċellula solari hija d-dijodu ideali flimkien ma' IL fotokurrent negattiv, li l-kobor tiegħu huwa:

Fi kliem ieħor, meta ma jkunx hemm dawl, IL=0, iċ-ċellula solari hija biss dajowd ordinarju. Meta ċ-ċellula solari tkun short-circuited, jiġifieri, V=0, il-kurrent short-circuit huwa Isc=-IL. Jiġifieri, meta ċ-ċellula solari tkun short-circuited, il-kurrent short-circuit huwa l-fotokurrent iġġenerat minn dawl inċidentali. Jekk iċ-ċellula solari hija ċirkwit miftuħ, jiġifieri, jekk I=0, il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ tagħha huwa:

Figura 2. Ċirkwit ekwivalenti taċ-ċellula solari: (a) mingħajr, (b) b'serje u shunt resistors. Għandu jiġi enfasizzat hawnhekk li l-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ u l-kurrent ta 'ċirkwit qasir huma żewġ parametri importanti tal-karatteristiċi taċ-ċelloli solari.

L-output ta 'enerġija ta' ċellula solari huwa l-prodott tal-kurrent u l-vultaġġ:

Ovvjament, il-ħruġ ta 'enerġija miċ-ċellula solari mhuwiex valur fiss. Jilħaq il-valur massimu f'ċertu punt operattiv tal-vultaġġ tal-kurrent, u l-qawwa massima tal-ħruġ Pmax tista 'tiġi ddeterminata b'dp/dv=0. Nistgħu niddeduċu li l-vultaġġ tal-ħruġ fil-qawwa massima tal-ħruġ Pmax huwa:

u l-kurrent tal-ħruġ huwa:

Il-qawwa massima tal-ħruġ taċ-ċellula solari hija:

L-effiċjenza ta 'ċellula solari tirreferi għall-proporzjon taċ-ċellula solari li tikkonverti l-Pin tal-qawwa tad-dawl inċidentali fil-qawwa elettrika tal-ħruġ massimu, jiġifieri:

Il-kejl ġenerali tal-effiċjenza taċ-ċelloli solari juża sors tad-dawl simili għad-dawl tax-xemx b'pin=1000W/㎡.

Sperimentalment, ir-relazzjoni tal-kurrent-vultaġġ taċ-ċelloli solari ma ssegwix kompletament id-deskrizzjoni teoretika ta 'hawn fuq. Dan huwa minħabba li l-apparat fotovoltajku innifsu għandu l-hekk imsejħa reżistenza tas-serje u reżistenza tax-shunt. Għal kwalunkwe materjal semikonduttur, jew il-kuntatt bejn semikonduttur u metall, inevitabbilment ikun hemm reżistenza akbar jew inqas, li tifforma r-reżistenza tas-serje tal-apparat fotovoltajku. Min-naħa l-oħra, kwalunkwe mogħdija kurrenti minbarra d-dijodu Pn ideali bejn l-elettrodi pożittivi u negattivi tal-apparat fotovoltajku se tikkawża l-hekk imsejjaħ kurrent ta 'tnixxija, bħall-kurrent ta' ġenerazzjoni-rikombinazzjoni fl-apparat. , kurrent ta 'rikombinazzjoni tal-wiċċ, iżolament tat-tarf mhux komplut tal-apparat, u junction tal-penetrazzjoni tal-kuntatt tal-metall.

Normalment, nużaw reżistenza shunt biex niddefinixxu l-kurrent ta 'tnixxija taċ-ċelloli solari, jiġifieri, Rsh=V/Ileak. Iktar ma tkun kbira r-reżistenza tax-shunt, iżgħar ikun il-kurrent tat-tnixxija. Jekk nikkunsidraw ir-reżistenza konġunta Rs u r-reżistenza tax-shunt Rsh, ir-relazzjoni tal-kurrent-vultaġġ taċ-ċellula solari tista 'tinkiteb bħala:

Nistgħu wkoll nużaw parametru wieħed biss, l-hekk imsejjaħ fattur tal-mili, biex jiġbru fil-qosor kemm l-effetti tar-reżistenza tas-serje kif ukoll ir-reżistenza tax-shunt. definit bħala:

Huwa ovvju li l-fattur tal-mili huwa massimu jekk ma jkunx hemm reżistenza tas-serje u r-reżistenza tax-shunt hija infinita (l-ebda kurrent ta 'tnixxija). Kwalunkwe żieda fir-reżistenza tas-serje jew tnaqqis fir-reżistenza tax-shunt tnaqqas il-fattur tal-mili. B'dan il-mod,. L-effiċjenza taċ-ċelloli solari tista 'tiġi espressa minn tliet parametri importanti: vultaġġ ta' ċirkwit miftuħ Voc, kurrent ta 'ċirkwit qasir Isc, u fattur ta' mili FF.

Ovvjament, biex tittejjeb l-effiċjenza ta 'ċellula solari, huwa meħtieġ li fl-istess ħin tiżdied il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ tagħha, il-kurrent ta' ċirkwit qasir (jiġifieri, fotokurrent), u l-fattur tal-mili (jiġifieri, tnaqqas ir-reżistenza tas-serje u l-kurrent ta 'tnixxija).

Vultaġġ ta 'ċirkwit miftuħ u kurrent ta' ċirkwit qasir: Ġġudikat mill-formula preċedenti, il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ taċ-ċellula solari huwa determinat mill-fotokurrent u ċ-ċellula saturata. Mill-perspettiva tal-fiżika tas-semikondutturi, il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ huwa ugwali għad-differenza tal-enerġija Fermi bejn l-elettroni u t-toqob fir-reġjun tal-ħlas tal-ispazju. Fir-rigward tal-kurrent ta 'saturazzjoni ta' dajowd Pn ideali, tista 'tuża:

biex tesprimi. fejn q0 jirrappreżenta l-unità ta 'ħlas, ni jirrappreżenta l-konċentrazzjoni intrinsika ta' trasportatur tas-semikonduttur, ND u NA kull wieħed jirrappreżenta l-konċentrazzjoni tad-donatur u l-aċċettatur, Dn u Dp kull wieħed jirrappreżenta l-koeffiċjent tad-diffużjoni ta 'elettroni u toqob, l-espressjoni ta' hawn fuq qed tassumi n - Il-każ fejn kemm ir-reġjun tat-tip kif ukoll ir-reġjun tat-tip p huma t-tnejn wesgħin. Ġeneralment, għal ċelloli solari li jużaw sottostrati tat-tip p, iż-żona tat-tip n hija baxxa ħafna, u l-espressjoni ta 'hawn fuq teħtieġ li tiġi modifikata.

Aħna semmejna qabel li meta ċellula solari tkun illuminata, jiġi ġġenerat fotokurrent, u l-fotokurrent huwa l-kurrent ta 'ċirkwit magħluq fir-relazzjoni tal-kurrent-vultaġġ taċ-ċellula solari. Hawnhekk se niddeskrivu fil-qosor l-oriġini tal-fotokurrent. Ir-rata ta' ġenerazzjoni ta' trasportaturi f'unità ta' volum għal kull unità ta' ħin (unità m -3 s -1 ) hija determinata mill-koeffiċjent ta' assorbiment tad-dawl, jiġifieri

Fost dawn, α tirrappreżenta l-koeffiċjent ta 'assorbiment tad-dawl, li hija l-intensità tal-fotoni inċidentali (jew id-densità tal-fluss tal-fotoni), u R tirreferi għall-koeffiċjent ta' riflessjoni, għalhekk tirrappreżenta l-intensità tal-fotoni inċidentali li mhumiex riflessi. It-tliet mekkaniżmi ewlenin li jiġġeneraw fotokurrent huma: il-kurrent ta 'diffużjoni ta' elettroni ta 'trasportatur minoritarju fir-reġjun tat-tip p, il-kurrent ta' diffużjoni ta 'toqob ta' trasportatur minoritarju fir-reġjun tat-tip n, u d-drift ta 'elettroni u toqob fir-reġjun ta' ħlas spazjali. kurrenti. Għalhekk, il-fotokurrent jista' jiġi espress bejn wieħed u ieħor bħala:

Fosthom, Ln u Lp kull wieħed jirrappreżenta t-tul tad-diffużjoni ta 'elettroni fir-reġjun tat-tip p u toqob fir-reġjun tat-tip n, u huwa l-wisa' tar-reġjun tal-ħlas spazjali. Fil-qosor ta 'dawn ir-riżultati, irridu jiksbu espressjoni sempliċi għall-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ:

fejn Vrcc jirrappreżenta r-rata ta 'rikombinazzjoni ta' pari ta 'elettron-toqba għal kull unità ta' volum. Naturalment, dan huwa riżultat naturali, minħabba li l-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ huwa ugwali għad-differenza tal-enerġija Fermi bejn l-elettroni u t-toqob fir-reġjun tal-iċċarġjar tal-ispazju, u d-differenza tal-enerġija Fermi bejn l-elettroni u t-toqob hija ddeterminata mir-rata tal-ġenerazzjoni tal-ġarr u r-rata ta 'rikombinazzjoni .