Hvordan solceller fungerer

Solceller absorbere sollys for å produsere funksjonene til vanlige batterier. Men i motsetning til tradisjonelle batterier, er utgangsspenningen og maksimal utgangseffekt til tradisjonelle batterier faste, mens utgangsspenningen, strømmen og effekten til solceller er relatert til lysforhold og belastningsdriftspunkter. På grunn av dette, for å bruke solceller til å generere elektrisitet, må du forstå strøm-spenningsforholdet og arbeidsprinsippet til solceller.

Spektral belysning av sollys:

Energikilden til solceller er sollys, så intensiteten og spekteret av innfallende sollys bestemmer strøm- og spenningsutgang fra solcellen. Vi vet at når en gjenstand plasseres under solen, mottar den sollys på to måter, den ene er direkte sollys, og den andre er diffust sollys etter å ha blitt spredt av andre gjenstander på overflaten. Under normale omstendigheter utgjør direkte innfallende lys omtrent 80 % av lyset som mottas av en solcelle. Derfor vil vår følgende diskusjon også fokusere på direkte eksponering for sollys.

Intensiteten og spekteret til sollys kan uttrykkes ved spektrumbestråling, som er lysstyrken per bølgelengdeenhet per arealenhet (W/㎡um). Intensiteten til sollys (W/㎡) er summen av alle bølgelengder av spektrumbelysning. Spektrumbelysningen av sollys er relatert til den målte posisjonen og vinkelen til solen i forhold til jordoverflaten. Dette er fordi sollyset vil bli absorbert og spredt av atmosfæren før det når jordoverflaten. De to faktorene posisjon og vinkel er generelt representert ved den såkalte luftmassen (AM). For solbelysning refererer AMO til situasjonen i verdensrommet når solen skinner direkte. Lysintensiteten er omtrent 1353 W/㎡, som tilsvarer omtrent lyskilden som produseres av svartkroppsstråling med en temperatur på 5800K. AMI refererer til situasjonen på jordens overflate, når solen skinner direkte er lysintensiteten ca 925 W/m2. AMI.5 refererer til situasjonen på jordoverflaten, når solen faller inn i en vinkel på 45 grader, er lysintensiteten ca. 844 W/m2. AM 1.5 brukes vanligvis for å representere gjennomsnittlig belysning av sollys på jordoverflaten. Solcellekretsmodell:

Når det ikke er lys, oppfører en solcelle seg som en pn junction diode. Strøm-spenningsforholdet til en ideell diode kan uttrykkes som

Der I representerer strømmen, V representerer spenningen, Is er metningsstrømmen og VT=KBT/q0, hvor KB representerer BoItzmann-konstanten, q0 er enhetens elektriske ladning, og T er temperaturen. Ved romtemperatur, VT=0,026v. Det skal bemerkes at retningen til Pn-diodestrømmen er definert til å flyte fra P-type til n-type i enheten, og de positive og negative verdiene til spenningen er definert som P-type terminalpotensialet minus terminalpotensialet av n-type. Derfor, hvis denne definisjonen følges, når solcellen fungerer, er spenningsverdien positiv, strømverdien negativ, og IV-kurven er i fjerde kvadrant. Lesere må her minnes om at den såkalte ideelle dioden er basert på mange fysiske forhold, og faktiske dioder vil naturligvis ha noen ikke-ideelle faktorer som påvirker strøm-spenningsforholdet til enheten, for eksempel generasjons-rekombinasjonsstrøm, her vil vi' ikke diskutere det mye. Når solcellen utsettes for lys vil det være fotostrøm i pn-dioden. Fordi den innebygde elektriske feltretningen til pn-krysset er fra n-type til p-type, vil elektron-hull-parene som genereres ved absorpsjon av fotoner løpe mot n-type-enden, mens hullene vil løpe mot p-en. -type slutt. Fotostrømmen som dannes av de to vil flyte fra n-type til p-type. Vanligvis er foroverstrømretningen til en diode definert som flytende fra p-type til n-type. På denne måten, sammenlignet med en ideell diode, er fotostrømmen som genereres av en solcelle når den er opplyst, en negativ strøm. Strøm-spenningsforholdet til solcellen er den ideelle dioden pluss en negativ fotostrøm IL, hvis størrelse er:

Med andre ord, når det ikke er lys, IL=0, er solcellen bare en vanlig diode. Når solcellen er kortsluttet, det vil si V=0, er kortslutningsstrømmen Isc=-IL. Det vil si at når solcellen er kortsluttet, er kortslutningsstrømmen fotostrømmen som genereres av innfallende lys. Hvis solcellen er åpen krets, det vil si hvis I=0, er dens åpen kretsspenning:

Figur 2. Ekvivalent krets av solcelle: (a) uten, (b) med serie- og shuntmotstander. Det må her understrekes at åpen kretsspenning og kortslutningsstrøm er to viktige parametere for solcelleegenskaper.

Effekten til en solcelle er produktet av strøm og spenning:

Det er klart at effekten fra solcellen ikke er en fast verdi. Den når maksimumsverdien ved et bestemt strømspenningsdriftspunkt, og maksimal utgangseffekt Pmax kan bestemmes av dp/dv=0. Vi kan utlede at utgangsspenningen ved maksimal utgangseffekt Pmax er:

og utgangsstrømmen er:

Den maksimale utgangseffekten til solcellen er:

Effektiviteten til en solcelle refererer til forholdet mellom solcellen som konverterer kraftpinnen til det innfallende lyset til maksimal utgangseffekt, det vil si:

Generelle målinger av solcelleeffektivitet bruker en lyskilde som ligner på sollys med pin=1000W/㎡.

Eksperimentelt følger ikke strøm-spenningsforholdet til solceller helt ovenstående teoretiske beskrivelse. Dette fordi selve solcelleanlegget har såkalt seriemotstand og shuntmotstand. For ethvert halvledermateriale, eller kontakten mellom en halvleder og et metall, vil det uunngåelig være en større eller mindre motstand, som vil danne seriemotstanden til den fotovoltaiske enheten. På den annen side vil enhver annen strømvei enn den ideelle Pn-dioden mellom de positive og negative elektrodene til den fotovoltaiske enheten forårsake den såkalte lekkasjestrømmen, for eksempel generasjonsrekombinasjonsstrømmen i enheten. , overflaterekombinasjonsstrøm, ufullstendig kantisolering av enheten, og metallkontaktpenetrasjonskryss.

Vanligvis bruker vi shuntmotstand for å definere lekkasjestrømmen til solceller, det vil si Rsh=V/Ileak. Jo større shuntmotstanden er, jo mindre er lekkasjestrømmen. Hvis vi vurderer leddmotstanden Rs og shuntmotstanden Rsh, kan strøm-spenningsforholdet til solcellen skrives som:

Vi kan også bruke bare én parameter, den såkalte fyllfaktoren, for å oppsummere både effektene av seriemotstand og shuntmotstand. definert som:

Det er åpenbart at fyllingsfaktoren er maksimal hvis det ikke er noen seriemotstand og shuntmotstanden er uendelig (ingen lekkasjestrøm). Enhver økning i seriemotstand eller reduksjon i shuntmotstand vil redusere fyllfaktoren. På denne måten,. Effektiviteten til solceller kan uttrykkes med tre viktige parametere: åpen kretsspenning Voc, kortslutningsstrøm Isc og fyllfaktor FF.

Åpenbart, for å forbedre effektiviteten til en solcelle, er det nødvendig å samtidig øke åpen kretsspenning, kortslutningsstrøm (det vil si fotostrøm) og fyllfaktor (det vil si redusere seriemotstand og lekkasjestrøm).

Åpen kretsspenning og kortslutningsstrøm: Ut fra den forrige formelen bestemmes åpen kretsspenningen til solcellen av fotostrømmen og den mettede cellen. Fra halvlederfysikkens perspektiv er åpen kretsspenning lik Fermi-energiforskjellen mellom elektroner og hull i romladningsområdet. Når det gjelder metningsstrømmen til en ideell Pn-diode, kan du bruke:

å uttrykke. der q0 representerer enhetsladningen, ni representerer den indre bærerkonsentrasjonen til halvlederen, ND og NA representerer hver konsentrasjonen til donoren og akseptoren, Dn og Dp representerer hver diffusjonskoeffisienten til elektroner og hull, uttrykket ovenfor er antatt n - Tilfellet der både typeregionen og p-typeregionen begge er brede. Generelt, for solceller som bruker p-type substrater, er n-type området veldig grunt, og uttrykket ovenfor må modifiseres.

Vi nevnte tidligere at når en solcelle er opplyst, genereres en fotostrøm, og fotostrømmen er den lukkede kretsstrømmen i strøm-spenningsforholdet til solcellen. Her vil vi kort beskrive opprinnelsen til fotostrømmen. Genereringshastigheten for bærere i volumenhet per tidsenhet (enhet m -3 s -1 ) bestemmes av lysabsorpsjonskoeffisienten, dvs.

Blant dem representerer α lysabsorpsjonskoeffisienten, som er intensiteten til innfallende fotoner (eller fotonflukstetthet), og R refererer til refleksjonskoeffisienten, så den representerer intensiteten til innfallende fotoner som ikke reflekteres. De tre hovedmekanismene som genererer fotostrøm er: diffusjonsstrømmen til minoritetsbærerelektroner i p-type-området, diffusjonsstrømmen til minoritetsbærerhull i n-type-området, og driften av elektroner og hull i romladningsområdet. nåværende. Derfor kan fotostrømmen tilnærmet uttrykkes som:

Blant dem representerer Ln og Lp hver diffusjonslengde av elektroner i p-type-regionen og hull i n-type-regionen, og er bredden av romladningsregionen. Ved å oppsummere disse resultatene får vi et enkelt uttrykk for åpen kretsspenning:

hvor Vrcc representerer rekombinasjonshastigheten til elektron-hull-par per volumenhet. Selvfølgelig er dette et naturlig resultat, fordi åpen kretsspenning er lik Fermi-energiforskjellen mellom elektroner og hull i romladningsområdet, og Fermi-energiforskjellen mellom elektroner og hull bestemmes av bærergenereringshastigheten og rekombinasjonshastigheten .