Jak działają ogniwa słoneczne

Ogniwa słoneczne absorbują światło słoneczne, aby uzyskać funkcje zwykłych baterii. Jednak w przeciwieństwie do tradycyjnych akumulatorów, napięcie wyjściowe i maksymalna moc wyjściowa tradycyjnych akumulatorów są stałe, podczas gdy napięcie wyjściowe, prąd i moc ogniw słonecznych są powiązane z warunkami oświetlenia i punktami pracy obciążenia. Z tego powodu, aby wykorzystać ogniwa słoneczne do wytwarzania energii elektrycznej, należy zrozumieć zależność prądu od napięcia i zasadę działania ogniw słonecznych.

Spektralne oświetlenie światła słonecznego:

Źródłem energii ogniw słonecznych jest światło słoneczne, zatem intensywność i widmo padającego światła słonecznego określają prąd i napięcie wyjściowe ogniwa słonecznego. Wiemy, że gdy przedmiot zostanie umieszczony pod słońcem, otrzyma on światło słoneczne na dwa sposoby: jeden to światło bezpośrednie, a drugi to światło rozproszone po rozproszeniu przez inne obiekty na powierzchni. W normalnych warunkach bezpośrednie światło padające stanowi około 80% światła odbieranego przez ogniwo słoneczne. Dlatego też nasza następna dyskusja skupi się również na bezpośredniej ekspozycji na światło słoneczne.

Intensywność i widmo światła słonecznego można wyrazić za pomocą natężenia promieniowania widmowego, czyli mocy światła na jednostkę długości fali na jednostkę powierzchni (W/㎡um). Intensywność światła słonecznego (W/㎡) to suma wszystkich długości fal oświetlenia widma. Oświetlenie widma światła słonecznego jest powiązane z mierzonym położeniem i kątem słońca względem powierzchni ziemi. Dzieje się tak dlatego, że światło słoneczne zostanie pochłonięte i rozproszone przez atmosferę, zanim dotrze do powierzchni Ziemi. Obydwa czynniki, położenie i kąt, są zazwyczaj reprezentowane przez tak zwaną masę powietrza (AM). W przypadku oświetlenia słonecznego AMO odnosi się do sytuacji w przestrzeni kosmicznej, gdy słońce świeci bezpośrednio. Jego natężenie światła wynosi około 1353 W/㎡, co w przybliżeniu odpowiada źródłu światła wytwarzanemu przez promieniowanie ciała doskonale czarnego o temperaturze 5800 K. AMI odnosi się do sytuacji na powierzchni Ziemi, gdy słońce świeci bezpośrednio, natężenie światła wynosi około 925 W/m2. AMI.5 odnosi się do sytuacji na powierzchni Ziemi, gdzie słońce pada pod kątem 45 stopni, a natężenie światła wynosi około 844 W/m2. AM 1,5 jest powszechnie używany do reprezentowania średniego oświetlenia światła słonecznego na powierzchni ziemi. Model obwodu ogniwa słonecznego:

Gdy nie ma światła, ogniwo słoneczne zachowuje się jak dioda złącza pn. Zależność prąd-napięcie idealnej diody można wyrazić jako

Gdzie I oznacza prąd, V oznacza napięcie, Is jest prądem nasycenia, a VT=KBT/q0, gdzie KB oznacza stałą BoItzmanna, q0 jest jednostkowym ładunkiem elektrycznym, a T jest temperaturą. W temperaturze pokojowej VT=0,026v. Należy zauważyć, że kierunek prądu diody Pn definiuje się jako przepływ od typu P do typu n w urządzeniu, a dodatnie i ujemne wartości napięcia definiuje się jako potencjał końcowy typu P minus potencjał końcowy typu n. Dlatego też, jeśli zastosujemy się do tej definicji, gdy ogniwo słoneczne działa, jego wartość napięcia jest dodatnia, wartość prądu jest ujemna, a krzywa IV znajduje się w czwartej ćwiartce. Czytelnikom należy w tym miejscu przypomnieć, że tak zwana idealna dioda opiera się na wielu warunkach fizycznych, a rzeczywiste diody będą naturalnie miały pewne nieidealne czynniki, które wpływają na zależność prąd-napięcie urządzenia, takie jak prąd rekombinacji generacji. Tutaj nie wygramy. nie dyskutuj o tym zbyt wiele. Gdy ogniwo słoneczne zostanie wystawione na działanie światła, w diodzie pn pojawi się fotoprąd. Ponieważ wbudowany kierunek pola elektrycznego złącza pn jest typu n do typu p, pary elektron-dziura generowane przez absorpcję fotonów będą biec w kierunku końca typu n, podczas gdy dziury będą biegły w kierunku p -koniec typu. Fotoprąd utworzony przez oba będzie przepływać od typu n do typu p. Ogólnie rzecz biorąc, kierunek prądu przewodzenia diody definiuje się jako płynący od typu p do typu n. W ten sposób, w porównaniu z idealną diodą, fotoprąd generowany przez oświetlane ogniwo słoneczne jest prądem ujemnym. Zależność prąd-napięcie ogniwa słonecznego to idealna dioda plus ujemny fotoprąd IL, którego wielkość wynosi:

Innymi słowy, gdy nie ma światła, IL=0, ogniwo słoneczne jest po prostu zwykłą diodą. Kiedy ogniwo słoneczne jest zwarte, to znaczy V=0, prąd zwarciowy wynosi Isc=-IL. Oznacza to, że gdy ogniwo słoneczne jest zwarte, prąd zwarciowy jest fotoprądem generowanym przez padające światło. Jeśli ogniwo słoneczne ma obwód otwarty, to znaczy, jeśli I=0, jego napięcie w obwodzie otwartym wynosi:

Rysunek 2. Schemat zastępczy ogniwa słonecznego: (a) bez, (b) z rezystorami szeregowymi i bocznikowymi. Należy w tym miejscu podkreślić, że napięcie obwodu otwartego i prąd zwarcia to dwa ważne parametry charakterystyki ogniwa słonecznego.

Moc wyjściowa ogniwa słonecznego jest iloczynem prądu i napięcia:

Oczywiście moc wyjściowa ogniwa słonecznego nie jest wartością stałą. Osiąga wartość maksymalną w określonym punkcie pracy prądowo-napięciowej, a maksymalną moc wyjściową Pmax można wyznaczyć ze wzoru dp/dv=0. Można wywnioskować, że napięcie wyjściowe przy maksymalnej mocy wyjściowej Pmax wynosi:

a prąd wyjściowy wynosi:

Maksymalna moc wyjściowa ogniwa słonecznego wynosi:

Sprawność ogniwa słonecznego odnosi się do stosunku ogniwa słonecznego przekształcającego moc Pin padającego światła na maksymalną wyjściową moc elektryczną, to znaczy:

Ogólne pomiary wydajności ogniw słonecznych wykorzystują źródło światła podobne do światła słonecznego z pinem = 1000 W/㎡.

Eksperymentalnie zależność prąd-napięcie ogniw słonecznych nie jest całkowicie zgodna z powyższym opisem teoretycznym. Dzieje się tak dlatego, że samo urządzenie fotowoltaiczne ma tzw. rezystancję szeregową i rezystancję bocznikową. W przypadku dowolnego materiału półprzewodnikowego lub kontaktu półprzewodnika z metalem nieuchronnie wystąpi większy lub mniejszy opór, który utworzy rezystancję szeregową urządzenia fotowoltaicznego. Natomiast każda ścieżka prądowa inna niż idealna dioda Pn pomiędzy elektrodą dodatnią i ujemną urządzenia fotowoltaicznego będzie powodować tzw. prąd upływowy, czyli prąd rekombinacji generacyjnej w urządzeniu. , prąd rekombinacji powierzchni, niepełna izolacja krawędzi urządzenia i złącze penetracyjne styku metalowego.

Zwykle używamy rezystancji bocznikowej do określenia prądu upływu ogniw słonecznych, czyli Rsh=V/Ileak. Im większa rezystancja bocznika, tym mniejszy jest prąd upływowy. Jeśli weźmiemy pod uwagę rezystancję złącza Rs i rezystancję bocznika Rsh, zależność prąd-napięcie ogniwa słonecznego można zapisać jako:

Możemy również użyć tylko jednego parametru, tak zwanego współczynnika wypełnienia, aby podsumować zarówno wpływ rezystancji szeregowej, jak i rezystancji bocznikowej. zdefiniowana jako:

Jest oczywiste, że współczynnik wypełnienia jest maksymalny, jeśli nie ma rezystora szeregowego, a rezystancja bocznika jest nieskończona (brak prądu upływowego). Jakikolwiek wzrost rezystancji szeregowej lub spadek rezystancji bocznika zmniejszy współczynnik wypełnienia. W ten sposób,. Sprawność ogniw słonecznych można wyrazić trzema ważnymi parametrami: napięciem obwodu otwartego Voc, prądem zwarciowym Isc i współczynnikiem wypełnienia FF.

Oczywiście, aby poprawić wydajność ogniwa słonecznego, konieczne jest jednoczesne zwiększenie jego napięcia w obwodzie otwartym, prądu zwarciowego (czyli fotoprądu) i współczynnika wypełnienia (czyli zmniejszenia rezystancji szeregowej i prądu upływowego).

Napięcie obwodu otwartego i prąd zwarcia: Sądząc z poprzedniego wzoru, napięcie obwodu otwartego ogniwa słonecznego jest określone przez fotoprąd i ogniwo nasycone. Z punktu widzenia fizyki półprzewodników napięcie obwodu otwartego jest równe różnicy energii Fermiego między elektronami i dziurami w obszarze ładunku kosmicznego. Jeśli chodzi o prąd nasycenia idealnej diody Pn, możesz użyć:

wyrazić. gdzie q0 oznacza ładunek jednostkowy, ni oznacza wewnętrzne stężenie nośnika półprzewodnika, ND i NA oznaczają stężenie donora i akceptora, Dn i Dp oznaczają współczynnik dyfuzji elektronów i dziur, powyższe wyrażenie zakłada n - Przypadek, w którym zarówno obszar typu, jak i obszar typu p są szerokie. Ogólnie rzecz biorąc, w przypadku ogniw słonecznych wykorzystujących podłoża typu p, obszar typu n jest bardzo płytki i powyższe wyrażenie wymaga modyfikacji.

Wspomnieliśmy wcześniej, że gdy ogniwo słoneczne jest oświetlone, generowany jest fotoprąd, który jest prądem w obwodzie zamkniętym w relacji prąd-napięcie ogniwa słonecznego. Tutaj pokrótce opiszemy pochodzenie fotoprądu. Szybkość generacji nośników w jednostce objętości na jednostkę czasu (jednostka m -3 s -1 ) jest określona współczynnikiem absorpcji światła, tj.

Wśród nich α oznacza współczynnik absorpcji światła, czyli intensywność padających fotonów (lub gęstość strumienia fotonów), a R odnosi się do współczynnika odbicia, a więc reprezentuje intensywność padających fotonów, które nie są odbijane. Trzy główne mechanizmy generujące fotoprąd to: prąd dyfuzyjny mniejszościowych elektronów nośnych w obszarze typu p, prąd dyfuzyjny mniejszościowych dziur nośnych w obszarze typu n oraz dryf elektronów i dziur w obszarze ładunku kosmicznego. aktualny. Dlatego fotoprąd można w przybliżeniu wyrazić jako:

Spośród nich Ln i Lp reprezentują długość dyfuzji elektronów w obszarze typu p i dziur w obszarze typu n oraz są szerokością obszaru ładunku przestrzennego. Podsumowując te wyniki, otrzymujemy proste wyrażenie na napięcie obwodu otwartego:

gdzie Vrcc oznacza szybkość rekombinacji par elektron-dziura na jednostkę objętości. Jest to oczywiście wynik naturalny, ponieważ napięcie obwodu otwartego jest równe różnicy energii Fermiego między elektronami i dziurami w obszarze ładunku kosmicznego, a różnica energii Fermiego między elektronami i dziurami jest zdeterminowana szybkością generacji nośnika i szybkością rekombinacji .