Hoe zonnecellen werken

Zonnepanelen absorberen zonlicht om de functies van gewone batterijen te produceren. Maar in tegenstelling tot traditionele batterijen liggen de uitgangsspanning en het maximale uitgangsvermogen van traditionele batterijen vast, terwijl de uitgangsspanning, stroom en vermogen van zonnecellen verband houden met de lichtomstandigheden en de werkingspunten van de belasting. Daarom moet u, om zonnecellen te gebruiken om elektriciteit op te wekken, de stroom-spanningsrelatie en het werkingsprincipe van zonnecellen begrijpen.

Spectrale verlichting van zonlicht:

De energiebron van zonnecellen is zonlicht, dus de intensiteit en het spectrum van het invallende zonlicht bepalen de stroom- en spanningsoutput van de zonnecel. We weten dat wanneer een object in de zon wordt geplaatst, het op twee manieren zonlicht ontvangt: de ene is direct zonlicht en de andere is diffuus zonlicht nadat het door andere objecten op het oppervlak is verstrooid. Onder normale omstandigheden is direct invallend licht verantwoordelijk voor ongeveer 80% van het licht dat door een zonnecel wordt ontvangen. Daarom zal onze volgende discussie zich ook concentreren op directe blootstelling aan zonlicht.

De intensiteit en het spectrum van zonlicht kunnen worden uitgedrukt door spectrumbestraling, wat het lichtvermogen per golflengte-eenheid per oppervlakte-eenheid (W/㎡um) is. De intensiteit van zonlicht (W/㎡) is de som van alle golflengten van spectrumverlichting. De spectrumverlichting van zonlicht hangt samen met de gemeten positie en de hoek van de zon ten opzichte van het aardoppervlak. Dit komt omdat het zonlicht door de atmosfeer wordt geabsorbeerd en verstrooid voordat het het aardoppervlak bereikt. De twee factoren positie en hoek worden doorgaans weergegeven door de zogenaamde luchtmassa (AM). Voor zonneverlichting verwijst AMO naar de situatie in de ruimte wanneer de zon direct schijnt. De lichtintensiteit bedraagt ​​ongeveer 1353 W/㎡, wat ongeveer gelijk is aan de lichtbron die wordt geproduceerd door straling van zwarte lichamen met een temperatuur van 5800 K. AMI verwijst naar de situatie op het aardoppervlak, wanneer de zon direct schijnt, is de lichtintensiteit ongeveer 925 W/m2. AMI.5 verwijst naar de situatie op het aardoppervlak, wanneer de zon in een hoek van 45 graden invalt, is de lichtintensiteit ongeveer 844 W/m2. AM 1,5 wordt over het algemeen gebruikt om de gemiddelde verlichting van zonlicht op het aardoppervlak weer te geven. Model zonnecelcircuit:

Als er geen licht is, gedraagt ​​een zonnecel zich als een pn-junctiediode. De stroom-spanningsrelatie van een ideale diode kan worden uitgedrukt als

Waar I de stroom vertegenwoordigt, vertegenwoordigt V de spanning, Is de verzadigingsstroom, en VT=KBT/q0, waarbij KB de BoItzmann-constante vertegenwoordigt, q0 de elektrische lading van de eenheid is en T de temperatuur is. Bij kamertemperatuur is VT=0,026v. Opgemerkt moet worden dat de richting van de Pn-diodestroom is gedefinieerd om van het P-type naar het n-type in het apparaat te stromen, en dat de positieve en negatieve waarden van de spanning worden gedefinieerd als het P-type aansluitpotentieel. minus het n-type terminale potentieel. Als deze definitie wordt gevolgd, is de spanningswaarde van de zonnecel positief, de stroomwaarde negatief en bevindt de IV-curve zich in het vierde kwadrant. Lezers moeten er hier aan worden herinnerd dat de zogenaamde ideale diode gebaseerd is op veel fysieke omstandigheden, en dat werkelijke diodes uiteraard een aantal niet-ideale factoren zullen hebben die de stroom-spanningsrelatie van het apparaat beïnvloeden, zoals generatie-recombinatiestroom. Hier hebben we gewonnen ' praat er niet veel over. Wanneer de zonnecel wordt blootgesteld aan licht, ontstaat er fotostroom in de pn-diode. Omdat de ingebouwde elektrische veldrichting van de pn-overgang van n-type naar p-type is, zullen de elektronen-gatparen die worden gegenereerd door de absorptie van fotonen naar het n-type uiteinde lopen, terwijl de gaten naar het p-type zullen lopen. -type einde. De door de twee gevormde fotostroom zal van n-type naar p-type vloeien. Over het algemeen wordt de voorwaartse stroomrichting van een diode gedefinieerd als vloeiend van p-type naar n-type. Op deze manier is de fotostroom die door een zonnecel wordt gegenereerd wanneer deze wordt verlicht, vergeleken met een ideale diode een negatieve stroom. De stroom-spanningsrelatie van de zonnecel is de ideale diode plus een negatieve fotostroom IL, waarvan de grootte is:

Met andere woorden: als er geen licht is, IL=0, is de zonnecel slechts een gewone diode. Wanneer de zonnecel wordt kortgesloten, dat wil zeggen V=0, is de kortsluitstroom Isc=-IL. Dat wil zeggen dat wanneer de zonnecel wordt kortgesloten, de kortsluitstroom de fotostroom is die wordt gegenereerd door invallend licht. Als de zonnecel een open circuit heeft, dat wil zeggen als I = 0, is de nullastspanning:

Figuur 2. Equivalent circuit van zonnecel: (a) zonder, (b) met serie- en shuntweerstanden. Hierbij moet worden benadrukt dat nullastspanning en kortsluitstroom twee belangrijke parameters zijn voor de eigenschappen van zonnecellen.

Het vermogen van een zonnecel is het product van stroom en spanning:

Uiteraard is het vermogen van de zonnecel geen vaste waarde. Het bereikt de maximale waarde bij een bepaald stroom-spanningswerkpunt, en het maximale uitgangsvermogen Pmax kan worden bepaald door dp/dv=0. We kunnen hieruit afleiden dat de uitgangsspanning bij het maximale uitgangsvermogen Pmax is:

en de uitgangsstroom is:

Het maximale uitgangsvermogen van de zonnecel bedraagt:

Het rendement van een zonnecel verwijst naar de verhouding waarin de zonnecel het vermogen Pin van het invallende licht omzet in het maximale elektrische vermogen, dat wil zeggen:

Bij algemene metingen van de efficiëntie van zonnecellen wordt gebruik gemaakt van een lichtbron die vergelijkbaar is met zonlicht, met pin=1000W/㎡.

Experimenteel volgt de stroom-spanningsrelatie van zonnecellen de bovenstaande theoretische beschrijving niet volledig. Dit komt omdat het fotovoltaïsche apparaat zelf een zogenaamde serieweerstand en shuntweerstand heeft. Voor elk halfgeleidermateriaal, of voor het contact tussen een halfgeleider en een metaal, zal er onvermijdelijk een grotere of kleinere weerstand zijn, die de serieweerstand van het fotovoltaïsche apparaat zal vormen. Aan de andere kant zal elk ander stroompad dan de ideale Pn-diode tussen de positieve en negatieve elektroden van het fotovoltaïsche apparaat de zogenaamde lekstroom veroorzaken, zoals de generatie-recombinatiestroom in het apparaat. oppervlakterecombinatiestroom, onvolledige randisolatie van het apparaat en penetratieverbinding met metaalcontact.

Meestal gebruiken we shuntweerstand om de lekstroom van zonnecellen te definiëren, dat wil zeggen Rsh=V/Ileak. Hoe groter de shuntweerstand is, hoe kleiner de lekstroom is. Als we de gezamenlijke weerstand Rs en de shuntweerstand Rsh beschouwen, kan de stroom-spanningsrelatie van de zonnecel als volgt worden geschreven:

We kunnen ook slechts één parameter gebruiken, de zogenaamde vulfactor, om zowel de effecten van serieweerstand als shuntweerstand samen te vatten. gedefinieerd als:

Het ligt voor de hand dat de vulfactor maximaal is als er geen serieweerstand is en de shuntweerstand oneindig is (geen lekstroom). Elke toename van de serieweerstand of afname van de shuntweerstand zal de vulfactor verminderen. Op deze manier,. Het rendement van zonnecellen kan worden uitgedrukt in drie belangrijke parameters: nullastspanning Voc, kortsluitstroom Isc en vulfactor FF.

Om de efficiëntie van een zonnecel te verbeteren, is het uiteraard noodzakelijk om tegelijkertijd de nullastspanning, de kortsluitstroom (dat wil zeggen de fotostroom) en de vulfactor (dat wil zeggen de serieweerstand en de lekstroom te verminderen) te verhogen.

Nullastspanning en kortsluitstroom: Afgaande op de vorige formule wordt de nullastspanning van de zonnecel bepaald door de fotostroom en de verzadigde cel. Vanuit het perspectief van de halfgeleiderfysica is de nullastspanning gelijk aan het Fermi-energieverschil tussen elektronen en gaten in het ruimteladingsgebied. Wat de verzadigingsstroom van een ideale Pn-diode betreft, kunt u het volgende gebruiken:

uitdrukken. waarbij q0 de eenheidslading vertegenwoordigt, ni de intrinsieke dragerconcentratie van de halfgeleider vertegenwoordigt, ND en NA elk de concentratie van de donor en de acceptor vertegenwoordigen, Dn en Dp elk de diffusiecoëfficiënt van elektronen en gaten vertegenwoordigen, gaat de bovenstaande uitdrukking uit van n - Het geval waarin zowel het typegebied als het p-type gebied beide breed zijn. Over het algemeen is het n-type gebied voor zonnecellen die gebruikmaken van p-type substraten erg ondiep en moet de bovenstaande uitdrukking worden gewijzigd.

We hebben eerder vermeld dat wanneer een zonnecel wordt verlicht, er een fotostroom wordt gegenereerd, en de fotostroom is de ruststroom in de stroom-spanningsrelatie van de zonnecel. Hier zullen we kort de oorsprong van de fotostroom beschrijven. De generatiesnelheid van dragers in volume-eenheid per tijdseenheid (eenheid m -3 s -1 ) wordt bepaald door de lichtabsorptiecoëfficiënt, dat wil zeggen

Onder hen vertegenwoordigt α de lichtabsorptiecoëfficiënt, wat de intensiteit is van invallende fotonen (of fotonfluxdichtheid), en R verwijst naar de reflectiecoëfficiënt, dus het vertegenwoordigt de intensiteit van invallende fotonen die niet worden gereflecteerd. De drie belangrijkste mechanismen die fotostroom genereren zijn: de diffusiestroom van minderheidsdragerelektronen in het p-type gebied, de diffusiestroom van minderheidsdragergaten in het n-type gebied, en de drift van elektronen en gaten in het ruimteladingsgebied. huidig. Daarom kan de fotostroom ongeveer worden uitgedrukt als:

Onder hen vertegenwoordigen Ln en Lp elk de diffusielengte van elektronen in het p-type gebied en gaten in het n-type gebied, en is de breedte van het ruimteladingsgebied. Als we deze resultaten samenvatten, krijgen we een eenvoudige uitdrukking voor de nullastspanning:

waarbij Vrcc de recombinatiesnelheid van elektron-gatparen per volume-eenheid vertegenwoordigt. Dit is natuurlijk een natuurlijk resultaat, omdat de nullastspanning gelijk is aan het Fermi-energieverschil tussen elektronen en gaten in het ruimteladingsgebied, en het Fermi-energieverschil tussen elektronen en gaten wordt bepaald door de snelheid van het genereren van dragers en de recombinatiesnelheid. .