सौर्य कोशिकाहरू कसरी काम गर्छन्

सौर्य कक्षहरू साधारण ब्याट्री को कार्य उत्पादन गर्न सूर्यको किरण अवशोषित। तर परम्परागत ब्याट्रीहरूको विपरीत, परम्परागत ब्याट्रीहरूको आउटपुट भोल्टेज र अधिकतम आउटपुट पावर निश्चित छ, जबकि आउटपुट भोल्टेज, वर्तमान, र सौर सेलहरूको शक्ति प्रकाश अवस्था र लोड अपरेटिङ बिन्दुहरूसँग सम्बन्धित छन्। यसका कारण, बिजुली उत्पादन गर्न सौर्य कक्षहरू प्रयोग गर्न, तपाईंले वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्ध र सौर्य कक्षहरूको काम गर्ने सिद्धान्त बुझ्नुपर्छ।

सूर्यको प्रकाशको वर्णक्रमीय रोशनी:

सौर्य कोशिकाहरूको ऊर्जा स्रोत सूर्यको प्रकाश हो, त्यसैले घटनाको सूर्यको प्रकाशको तीव्रता र स्पेक्ट्रमले सौर्य सेलद्वारा वर्तमान र भोल्टेज आउटपुट निर्धारण गर्दछ। हामीलाई थाहा छ कि जब कुनै वस्तुलाई सूर्यमुनि राखिन्छ, यसले दुई तरिकाले सूर्यको किरण प्राप्त गर्दछ, एउटा प्रत्यक्ष सूर्यको किरण हो, र अर्को सतहमा अन्य वस्तुहरूद्वारा छरिएर फैलिएको सूर्यको प्रकाश हो। सामान्य परिस्थितिमा, प्रत्यक्ष घटना प्रकाशले सौर्य सेल द्वारा प्राप्त प्रकाशको लगभग 80% को लागी खाता बनाउँछ। तसर्थ, हाम्रो निम्न छलफल सूर्यको किरणको प्रत्यक्ष एक्सपोजरमा पनि केन्द्रित हुनेछ।

सूर्यको प्रकाशको तीव्रता र स्पेक्ट्रम स्पेक्ट्रम विकिरण द्वारा व्यक्त गर्न सकिन्छ, जुन प्रकाश शक्ति प्रति एकाइ तरंगदैर्ध्य प्रति एकाइ क्षेत्र (W/㎡um) हो। सूर्यको किरणको तीव्रता (W/㎡) स्पेक्ट्रम प्रकाशको सबै तरंगदैर्ध्यहरूको योगफल हो। सूर्यको प्रकाशको स्पेक्ट्रम रोशनी पृथ्वीको सतहको सापेक्ष मापन स्थिति र सूर्यको कोणसँग सम्बन्धित छ। यो किनभने सूर्यको किरण पृथ्वीको सतहमा पुग्नु अघि वायुमण्डल द्वारा अवशोषित र छरिएको हुनेछ। स्थिति र कोण को दुई कारक सामान्यतया तथाकथित वायु मास (AM) द्वारा प्रतिनिधित्व गरिन्छ। सौर्य प्रकाशको लागि, AMO ले बाह्य अन्तरिक्षको अवस्थालाई बुझाउँछ जब सूर्य प्रत्यक्ष रूपमा चम्किरहेको हुन्छ। यसको प्रकाश तीव्रता लगभग 1353 W/㎡ हो, जुन लगभग 5800K को तापमान संग ब्ल्याकबडी विकिरण द्वारा उत्पादित प्रकाश स्रोत को बराबर छ। AMI ले पृथ्वीको सतहको अवस्थालाई बुझाउँछ, जब सूर्य प्रत्यक्ष रूपमा चम्किरहेको हुन्छ, प्रकाशको तीव्रता लगभग 925 W/m2 हुन्छ। AMI.5 ले पृथ्वीको सतहको अवस्थालाई बुझाउँछ, जब सूर्य 45 डिग्रीको कोणमा घट्छ, प्रकाशको तीव्रता लगभग 844 W/m2 हुन्छ। AM 1.5 लाई सामान्यतया पृथ्वीको सतहमा सूर्यको प्रकाशको औसत प्रकाशको प्रतिनिधित्व गर्न प्रयोग गरिन्छ। सौर सेल सर्किट मोडेल:

जब त्यहाँ कुनै प्रकाश छैन, एक सौर सेल एक pn जंक्शन डायोड जस्तै व्यवहार गर्दछ। एक आदर्श डायोड को वर्तमान भोल्टेज सम्बन्ध को रूपमा व्यक्त गर्न सकिन्छ

जहाँ I ले प्रवाहलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, V ले भोल्टेजलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, यो संतृप्ति प्रवाह हो, र VT=KBT/q0, जहाँ KB ले BoItzmann स्थिरतालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, q0 एकाइ इलेक्ट्रिक चार्ज हो, र T तापमान हो। कोठाको तापक्रममा, VT=0.026v। यो ध्यान दिनुपर्छ कि Pn डायोड प्रवाहको दिशालाई यन्त्रमा P-type बाट n-type मा प्रवाह गर्न परिभाषित गरिएको छ, र भोल्टेजको सकारात्मक र नकारात्मक मानहरूलाई P-प्रकार टर्मिनल क्षमताको रूपमा परिभाषित गरिएको छ। माइनस एन-टाइप टर्मिनल क्षमता। त्यसकारण, यदि यो परिभाषा पछ्याइएको छ भने, जब सौर्य सेलले काम गरिरहेको छ, यसको भोल्टेज मान सकारात्मक छ, यसको हालको मान ऋणात्मक छ, र IV वक्र चौथो चतुर्थांशमा छ। पाठकहरूलाई यहाँ स्मरण गराउनु पर्छ कि तथाकथित आदर्श डायोड धेरै भौतिक अवस्थाहरूमा आधारित छ, र वास्तविक डायोडहरूमा स्वाभाविक रूपमा यन्त्रको वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्धलाई असर गर्ने केही गैर-आदर्श कारकहरू हुन्छन्, जस्तै जेनरेशन-पुन: संयोजन वर्तमान, हामी यहाँ गर्नेछौं। धेरै चर्चा नगर्नुहोस्। जब सौर्य सेल प्रकाशमा पर्दा, pn डायोडमा फोटोकरेन्ट हुनेछ। किनकि pn जंक्शनको बिल्ट-इन इलेक्ट्रिक फिल्ड दिशा n-type बाट p-type सम्म छ, फोटानको अवशोषणबाट उत्पन्न इलेक्ट्रोन-प्वाल जोडीहरू n-प्रकारको अन्त्यतिर दौडनेछन्, जबकि प्वालहरू p तिर दौडनेछन्। - प्रकार अन्त। दुईले बनाएको फोटोकरेन्ट एन-टाइपबाट पी-टाइपमा प्रवाह हुनेछ। सामान्यतया, डायोडको अगाडिको वर्तमान दिशालाई p-type बाट n-type मा प्रवाहित रूपमा परिभाषित गरिन्छ। यसरी, एक आदर्श डायोडको तुलनामा, प्रकाश हुँदा सौर्य सेल द्वारा उत्पन्न फोटोकरेन्ट नकारात्मक प्रवाह हो। सौर्य सेलको वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्ध आदर्श डायोड प्लस एक नकारात्मक फोटोकरेन्ट IL हो, जसको परिमाण हो:

अर्को शब्दमा, जब त्यहाँ कुनै प्रकाश छैन, IL=0, सौर्य सेल केवल एक साधारण डायोड हो। जब सौर्य सेल छोटो-सर्किट हुन्छ, अर्थात्, V=0, सर्ट-सर्किट प्रवाह Isc=-IL हुन्छ। अर्थात्, जब सौर्य सेल सर्ट सर्किट हुन्छ, सर्ट-सर्किट वर्तमान घटना प्रकाश द्वारा उत्पन्न फोटोकरेन्ट हो। यदि सौर्य सेल खुला सर्किट हो, अर्थात्, यदि I=0, यसको खुला सर्किट भोल्टेज हो:

चित्र 2. सौर्य सेलको समतुल्य सर्किट: (a) बिना, (b) श्रृंखला र शन्ट प्रतिरोधकहरूसँग। यहाँ यो जोड दिनु पर्छ कि खुला सर्किट भोल्टेज र सर्ट सर्किट वर्तमान सौर्य सेल विशेषताहरु को दुई महत्वपूर्ण मापदण्डहरु हुन्।

सौर्य सेलको पावर आउटपुट वर्तमान र भोल्टेजको उत्पादन हो:

जाहिर छ, सौर्य सेल द्वारा पावर आउटपुट एक निश्चित मान होइन। यो निश्चित वर्तमान-भोल्टेज अपरेटिङ बिन्दुमा अधिकतम मानमा पुग्छ, र अधिकतम उत्पादन शक्ति Pmax dp/dv=0 द्वारा निर्धारण गर्न सकिन्छ। हामी अनुमान गर्न सक्छौं कि अधिकतम उत्पादन शक्ति Pmax मा आउटपुट भोल्टेज हो:

र आउटपुट वर्तमान हो:

सौर्य सेलको अधिकतम उत्पादन शक्ति हो:

सौर्य सेलको दक्षताले घटना प्रकाशको पावर पिनलाई अधिकतम आउटपुट विद्युतीय शक्तिमा रूपान्तरण गर्ने सौर्य सेलको अनुपातलाई जनाउँछ, त्यो हो:

सामान्य सौर्य सेल दक्षता मापनले pin=1000W/㎡ सँग सूर्यको प्रकाश जस्तै प्रकाश स्रोत प्रयोग गर्दछ।

प्रयोगात्मक रूपमा, सौर्य कक्षहरूको वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्धले माथिको सैद्धान्तिक विवरणलाई पूर्ण रूपमा पालना गर्दैन। यो किनभने फोटोभोल्टिक उपकरणमा तथाकथित श्रृंखला प्रतिरोध र शन्ट प्रतिरोध छ। कुनै पनि अर्धचालक सामग्रीको लागि, वा अर्धचालक र धातु बीचको सम्पर्कको लागि, त्यहाँ अनिवार्य रूपमा ठूलो वा कम प्रतिरोध हुनेछ, जसले फोटोभोल्टिक उपकरणको श्रृंखला प्रतिरोध बनाउँदछ। अर्कोतर्फ, फोटोभोल्टिक उपकरणको सकारात्मक र नकारात्मक इलेक्ट्रोडहरू बीचको आदर्श Pn डायोड बाहेक अन्य कुनै पनि वर्तमान मार्गले तथाकथित रिसाव प्रवाह, जस्तै उपकरणमा जेनेरेशन-पुन: संयोजन करेन्टको कारण हुनेछ। , सतह पुनर्संयोजन वर्तमान, उपकरणको अपूर्ण किनारा अलगाव, र धातु सम्पर्क प्रवेश जंक्शन।

सामान्यतया, हामी सौर्य कक्षहरूको चुहावट प्रवाह परिभाषित गर्न शन्ट प्रतिरोध प्रयोग गर्छौं, त्यो हो, Rsh=V/Ileak। शन्ट प्रतिरोध जति ठूलो हुन्छ, चुहावटको प्रवाह त्यति सानो हुन्छ। यदि हामीले संयुक्त प्रतिरोध Rs र शन्ट प्रतिरोध Rsh लाई विचार गर्छौं भने, सौर्य सेलको वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्ध यसरी लेख्न सकिन्छ:

हामी केवल एक प्यारामिटर, तथाकथित फिल कारक प्रयोग गर्न सक्छौं, शृङ्खला प्रतिरोध र शन्ट प्रतिरोध दुवै प्रभावहरू संक्षेप गर्न। को रूपमा परिभाषित:

यो स्पष्ट छ कि फिल कारक अधिकतम छ यदि त्यहाँ कुनै श्रृंखला प्रतिरोधक छैन र शन्ट प्रतिरोध अनन्त छ (कुनै चुहावट वर्तमान)। श्रृंखला प्रतिरोधमा कुनै पनि वृद्धि वा शन्ट प्रतिरोधमा कमीले भरिने कारकलाई कम गर्नेछ। यसरी,। सौर्य कक्षहरूको दक्षता तीनवटा महत्त्वपूर्ण मापदण्डहरूद्वारा व्यक्त गर्न सकिन्छ: खुला सर्किट भोल्टेज भोक, सर्ट सर्किट वर्तमान Isc, र फिल कारक FF।

स्पष्ट रूपमा, सौर्य सेलको दक्षता सुधार गर्न, यसको ओपन सर्किट भोल्टेज, सर्ट सर्किट वर्तमान (अर्थात, फोटोकरेन्ट), र फिल कारक (अर्थात, श्रृंखला प्रतिरोध र चुहावट प्रवाह घटाउनुहोस्) लाई एकै साथ बढाउन आवश्यक छ।

ओपन सर्किट भोल्टेज र सर्ट सर्किट करन्ट: अघिल्लो सूत्रबाट विचार गर्दा, सौर्य सेलको खुला सर्किट भोल्टेज फोटोकरेन्ट र सेचुरेटेड सेलद्वारा निर्धारण गरिन्छ। अर्धचालक भौतिकशास्त्रको परिप्रेक्ष्यमा, खुला सर्किट भोल्टेज स्पेस चार्ज क्षेत्रमा इलेक्ट्रोन र प्वालहरू बीचको फर्मी ऊर्जा भिन्नता बराबर छ। एक आदर्श Pn डायोडको संतृप्ति वर्तमानको लागि, तपाइँ प्रयोग गर्न सक्नुहुन्छ:

व्यक्त गर्न। जहाँ q0 ले एकाइ चार्जलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, ni ले अर्धचालकको आन्तरिक वाहक एकाग्रतालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, ND र NA प्रत्येकले दाता र स्वीकर्ताको एकाग्रतालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, Dn र Dp प्रत्येकले इलेक्ट्रोन र प्वालहरूको प्रसार गुणांकलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, माथिको अभिव्यक्तिले n मान्दै छ। - प्रकार क्षेत्र र p-प्रकार क्षेत्र दुवै फराकिलो भएको अवस्थामा। सामान्यतया, p-प्रकार सब्सट्रेटहरू प्रयोग गर्ने सौर्य कक्षहरूको लागि, n-प्रकारको क्षेत्र धेरै उथलपुथल हुन्छ, र माथिको अभिव्यक्ति परिमार्जन गर्न आवश्यक छ।

हामीले पहिले नै उल्लेख गरेका थियौं कि जब सौर्य सेल उज्यालो हुन्छ, फोटोकरेन्ट उत्पन्न हुन्छ, र फोटोकरेन्ट सौर्य सेलको वर्तमान-भोल्टेज सम्बन्धमा बन्द-सर्किट प्रवाह हो। यहाँ हामी छोटकरीमा फोटोकरेन्टको उत्पत्तिको वर्णन गर्नेछौं। प्रति एकाइ समय (एकाइ m -3 s -1) मा वाहकहरूको उत्पादन दर प्रकाश अवशोषण गुणांक द्वारा निर्धारण गरिन्छ, त्यो हो

तिनीहरू मध्ये, α ले प्रकाश अवशोषण गुणांकलाई प्रतिनिधित्व गर्दछ, जुन घटना फोटोनको तीव्रता (वा फोटोन फ्लक्स घनत्व) हो, र R ले प्रतिबिम्ब गुणांकलाई जनाउँछ, त्यसैले यसले प्रतिबिम्बित नभएका घटना फोटनको तीव्रतालाई प्रतिनिधित्व गर्दछ। फोटोकरेन्ट उत्पन्न गर्ने तीन मुख्य मेकानिजमहरू हुन्: p-प्रकार क्षेत्रमा अल्पसंख्यक क्यारियर इलेक्ट्रोनहरूको प्रसार प्रवाह, n-प्रकार क्षेत्रमा अल्पसंख्यक क्यारियर होलहरूको प्रसार प्रवाह, र स्पेस चार्ज क्षेत्रमा इलेक्ट्रोन र प्वालहरूको बहाव। वर्तमान। तसर्थ, photocurrent लगभग रूपमा व्यक्त गर्न सकिन्छ:

ती मध्ये, Ln र Lp प्रत्येकले p-प्रकार क्षेत्रमा इलेक्ट्रोनहरूको फैलावट लम्बाइ र n-प्रकार क्षेत्रमा प्वालहरू प्रतिनिधित्व गर्दछ, र स्पेस चार्ज क्षेत्रको चौडाइ हो। यी नतिजाहरू संक्षेप गर्दै, हामीले खुला सर्किट भोल्टेजको लागि सरल अभिव्यक्ति पाउँछौं:

जहाँ Vrcc ले प्रति एकाइ भोल्युम इलेक्ट्रोन-होल जोडीहरूको पुन: संयोजन दर प्रतिनिधित्व गर्दछ। निस्सन्देह, यो एक प्राकृतिक परिणाम हो, किनभने खुला सर्किट भोल्टेज स्पेस चार्ज क्षेत्रमा इलेक्ट्रोन र प्वालहरू बीचको फर्मी ऊर्जा भिन्नता बराबर हुन्छ, र इलेक्ट्रोन र प्वालहरू बीचको फर्मी ऊर्जा भिन्नता क्यारियर उत्पादन दर र पुन: संयोजन दरद्वारा निर्धारण गरिन्छ। ।