Como funcionam as células solares

Células solares absorver a luz solar para produzir as funções de baterias comuns. Mas, ao contrário das baterias tradicionais, a tensão de saída e a potência máxima de saída das baterias tradicionais são fixas, enquanto a tensão de saída, a corrente e a potência das células solares estão relacionadas às condições de iluminação e aos pontos de operação da carga. Por isso, para usar células solares para gerar eletricidade, você deve compreender a relação corrente-tensão e o princípio de funcionamento das células solares.

Iluminação espectral da luz solar:

A fonte de energia das células solares é a luz solar, portanto, a intensidade e o espectro da luz solar incidente determinam a corrente e a tensão de saída da célula solar. Sabemos que quando um objeto é colocado sob o sol, ele recebe a luz solar de duas maneiras, uma é a luz solar direta e a outra é a luz solar difusa após ser espalhada por outros objetos na superfície. Em circunstâncias normais, a luz incidente direta representa cerca de 80% da luz recebida por uma célula solar. Portanto, nossa discussão a seguir também focará na exposição direta à luz solar.

A intensidade e o espectro da luz solar podem ser expressos pela irradiância do espectro, que é a potência da luz por unidade de comprimento de onda por unidade de área (W/㎡um). A intensidade da luz solar (W/㎡) é a soma de todos os comprimentos de onda do espectro de iluminação. A iluminação espectral da luz solar está relacionada à posição medida e ao ângulo do sol em relação à superfície da Terra. Isso ocorre porque a luz solar será absorvida e espalhada pela atmosfera antes de atingir a superfície terrestre. Os dois fatores de posição e ângulo são geralmente representados pela chamada massa de ar (AM). Para iluminação solar, AMO refere-se à situação no espaço sideral quando o sol brilha diretamente. Sua intensidade de luz é de aproximadamente 1353 W/㎡, o que equivale aproximadamente à fonte de luz produzida pela radiação de corpo negro com temperatura de 5800K. AMI refere-se à situação na superfície da Terra, quando o sol brilha diretamente, a intensidade da luz é de cerca de 925 W/m2. AMI.5 refere-se à situação na superfície da Terra, quando o sol incide num ângulo de 45 graus, a intensidade da luz é de cerca de 844 W/m2. AM 1,5 é geralmente usado para representar a iluminação média da luz solar na superfície da Terra. Modelo de circuito de célula solar:

Quando não há luz, uma célula solar se comporta como um diodo de junção pn. A relação corrente-tensão de um diodo ideal pode ser expressa como

Onde I representa a corrente, V representa a tensão, Is é a corrente de saturação e VT=KBT/q0, onde KB representa a constante de BoItzmann, q0 é a carga elétrica unitária e T é a temperatura. À temperatura ambiente, VT=0,026v. Deve-se notar que a direção da corrente do diodo Pn é definida para fluir do tipo P para o tipo n no dispositivo, e os valores positivos e negativos da tensão são definidos como o potencial terminal do tipo P menos o potencial terminal do tipo n. Portanto, se esta definição for seguida, quando a célula solar está funcionando, seu valor de tensão é positivo, seu valor de corrente é negativo e a curva IV está no quarto quadrante. Os leitores devem ser lembrados aqui que o chamado diodo ideal é baseado em muitas condições físicas, e os diodos reais terão naturalmente alguns fatores não ideais que afetam a relação corrente-tensão do dispositivo, como a corrente de recombinação de geração. Não discuto muito isso. Quando a célula solar é exposta à luz, haverá fotocorrente no diodo pn. Como a direção do campo elétrico incorporado da junção pn é do tipo n para o tipo p, os pares elétron-buraco gerados pela absorção de fótons correrão em direção à extremidade do tipo n, enquanto os buracos correrão em direção ao p -tipo final. A fotocorrente formada pelos dois fluirá do tipo n para o tipo p. Geralmente, a direção da corrente direta de um diodo é definida como fluindo do tipo p para o tipo n. Desta forma, comparada a um diodo ideal, a fotocorrente gerada por uma célula solar quando iluminada é uma corrente negativa. A relação corrente-tensão da célula solar é o diodo ideal mais uma fotocorrente negativa IL, cuja magnitude é:

Em outras palavras, quando não há luz, IL=0, a célula solar é apenas um diodo comum. Quando a célula solar está em curto-circuito, ou seja, V=0, a corrente de curto-circuito é Isc=-IL. Ou seja, quando a célula solar está em curto-circuito, a corrente de curto-circuito é a fotocorrente gerada pela luz incidente. Se a célula solar estiver em circuito aberto, ou seja, se I=0, sua tensão de circuito aberto será:

Figura 2. Circuito equivalente de célula solar: (a) sem, (b) com resistores em série e em derivação. Deve ser enfatizado aqui que a tensão de circuito aberto e a corrente de curto-circuito são dois parâmetros importantes das características das células solares.

A potência de saída de uma célula solar é o produto da corrente e da tensão:

Obviamente, a potência produzida pela célula solar não é um valor fixo. Atinge o valor máximo em um determinado ponto operacional de tensão de corrente, e a potência máxima de saída Pmax pode ser determinada por dp/dv=0. Podemos deduzir que a tensão de saída na potência máxima de saída Pmax é:

e a corrente de saída é:

A potência máxima de saída da célula solar é:

A eficiência de uma célula solar refere-se à proporção da célula solar que converte o pino de potência da luz incidente na potência elétrica de saída máxima, ou seja:

As medições gerais de eficiência das células solares usam uma fonte de luz semelhante à luz solar com pino = 1000W/㎡.

Experimentalmente, a relação corrente-tensão das células solares não segue completamente a descrição teórica acima. Isso ocorre porque o próprio dispositivo fotovoltaico possui a chamada resistência em série e resistência em derivação. Para qualquer material semicondutor, ou o contato entre um semicondutor e um metal, inevitavelmente haverá uma resistência maior ou menor, que formará a resistência em série do dispositivo fotovoltaico. Por outro lado, qualquer caminho de corrente diferente do diodo Pn ideal entre os eletrodos positivo e negativo do dispositivo fotovoltaico causará a chamada corrente de fuga, como a corrente de recombinação de geração no dispositivo. , corrente de recombinação de superfície, isolamento incompleto da borda do dispositivo e junção de penetração de contato metálico.

Normalmente, usamos resistência shunt para definir a corrente de fuga das células solares, ou seja, Rsh=V/Ileak. Quanto maior for a resistência shunt, menor será a corrente de fuga. Se considerarmos a resistência conjunta Rs e a resistência shunt Rsh, a relação corrente-tensão da célula solar pode ser escrita como:

Também podemos usar apenas um parâmetro, o chamado fator de preenchimento, para resumir os efeitos da resistência em série e da resistência em derivação. definido como:

É óbvio que o fator de preenchimento é máximo se não houver resistor em série e a resistência shunt for infinita (sem corrente de fuga). Qualquer aumento na resistência em série ou diminuição na resistência em derivação reduzirá o fator de preenchimento. Desta maneira,. A eficiência das células solares pode ser expressa por três parâmetros importantes: tensão de circuito aberto Voc, corrente de curto-circuito Isc e fator de preenchimento FF.

Obviamente, para melhorar a eficiência de uma célula solar, é necessário aumentar simultaneamente a tensão de circuito aberto, a corrente de curto-circuito (ou seja, a fotocorrente) e o fator de preenchimento (ou seja, reduzir a resistência em série e a corrente de fuga).

Tensão de circuito aberto e corrente de curto-circuito: A julgar pela fórmula anterior, a tensão de circuito aberto da célula solar é determinada pela fotocorrente e pela célula saturada. Do ponto de vista da física dos semicondutores, a tensão de circuito aberto é igual à diferença de energia de Fermi entre elétrons e lacunas na região de carga espacial. Quanto à corrente de saturação de um diodo Pn ideal, pode-se usar:

para expressar. onde q0 representa a carga unitária, ni representa a concentração de portadores intrínsecos do semicondutor, ND e NA representam cada um a concentração do doador e do aceitador, Dn e Dp representam cada um o coeficiente de difusão de elétrons e buracos, a expressão acima está assumindo n - O caso em que tanto a região do tipo quanto a região do tipo p são largas. Geralmente, para células solares que utilizam substratos do tipo p, a área do tipo n é muito rasa e a expressão acima precisa ser modificada.

Mencionamos anteriormente que quando uma célula solar é iluminada, uma fotocorrente é gerada, e a fotocorrente é a corrente de circuito fechado na relação corrente-tensão da célula solar. Aqui descreveremos brevemente a origem da fotocorrente. A taxa de geração de portadores em volume unitário por unidade de tempo (unidade m -3 s -1 ) é determinada pelo coeficiente de absorção de luz, ou seja

Dentre eles, α representa o coeficiente de absorção de luz, que é a intensidade dos fótons incidentes (ou densidade de fluxo de fótons), e R refere-se ao coeficiente de reflexão, portanto representa a intensidade dos fótons incidentes que não são refletidos. Os três principais mecanismos que geram fotocorrente são: a corrente de difusão dos elétrons portadores minoritários na região do tipo p, a corrente de difusão dos buracos dos portadores minoritários na região do tipo n e a deriva de elétrons e buracos na região de carga espacial. atual. Portanto, a fotocorrente pode ser expressa aproximadamente como:

Entre eles, Ln e Lp representam, cada um, o comprimento de difusão dos elétrons na região do tipo p e dos buracos na região do tipo n, e é a largura da região de carga espacial. Resumindo esses resultados, obtemos uma expressão simples para a tensão de circuito aberto:

onde Vrcc representa a taxa de recombinação de pares elétron-buraco por unidade de volume. Claro, este é um resultado natural, porque a tensão de circuito aberto é igual à diferença de energia de Fermi entre elétrons e buracos na região de carga espacial, e a diferença de energia de Fermi entre elétrons e buracos é determinada pela taxa de geração de portadores e pela taxa de recombinação. .