Cum funcționează celulele solare

Celule solare absorb lumina soarelui pentru a produce funcțiile bateriilor obișnuite. Dar, spre deosebire de bateriile tradiționale, tensiunea de ieșire și puterea maximă de ieșire a bateriilor tradiționale sunt fixe, în timp ce tensiunea de ieșire, curentul și puterea celulelor solare sunt legate de condițiile de iluminare și de punctele de funcționare a sarcinii. Din acest motiv, pentru a utiliza celulele solare pentru a genera electricitate, trebuie să înțelegeți relația curent-tensiune și principiul de funcționare al celulelor solare.

Iluminarea spectrală a luminii solare:

Sursa de energie a celulelor solare este lumina solară, astfel încât intensitatea și spectrul luminii solare incidente determină curentul și tensiunea de ieșire de către celula solară. Știm că atunci când un obiect este plasat sub soare, acesta primește lumina soarelui în două moduri, unul este lumina directă a soarelui, iar celălalt este lumina soarelui difuză după ce a fost împrăștiat de alte obiecte de la suprafață. În circumstanțe normale, lumina incidentă directă reprezintă aproximativ 80% din lumina primită de o celulă solară. Prin urmare, următoarea noastră discuție se va concentra și pe expunerea directă la lumina soarelui.

Intensitatea și spectrul luminii solare pot fi exprimate prin iradierea spectrului, care este puterea luminii pe unitatea de lungime de undă pe unitatea de suprafață (W/㎡um). Intensitatea luminii solare (W/㎡) este suma tuturor lungimilor de undă ale spectrului de iluminare. Iluminarea spectrului luminii solare este legată de poziția măsurată și de unghiul soarelui față de suprafața pământului. Acest lucru se datorează faptului că lumina soarelui va fi absorbită și împrăștiată de atmosferă înainte de a ajunge la suprafața pământului. Cei doi factori de poziție și unghi sunt reprezentați în general de așa-numita masă de aer (AM). Pentru iluminarea solară, AMO se referă la situația din spațiul cosmic când soarele strălucește direct. Intensitatea sa luminii este de aproximativ 1353 W/㎡, ceea ce este aproximativ echivalent cu sursa de lumină produsă de radiația corpului negru cu o temperatură de 5800K. AMI se referă la situația de pe suprafața pământului, când soarele strălucește direct, intensitatea luminii este de aproximativ 925 W/m2. AMI.5 se referă la situația de pe suprafața pământului, când soarele este incident la un unghi de 45 de grade, intensitatea luminii este de aproximativ 844 W/m2. AM 1,5 este utilizat în general pentru a reprezenta iluminarea medie a luminii solare de pe suprafața pământului. Model de circuit de celule solare:

Când nu există lumină, o celulă solară se comportă ca o diodă de joncțiune pn. Relația curent-tensiune a unei diode ideale poate fi exprimată ca

Unde I reprezintă curentul, V reprezintă tensiunea, Is este curentul de saturație și VT=KBT/q0, unde KB reprezintă constanta BoItzmann, q0 este sarcina electrică unitară și T este temperatura. La temperatura camerei, VT=0,026v. Trebuie remarcat faptul că direcția curentului diodei Pn este definită pentru a curge de la tipul P la tipul n în dispozitiv, iar valorile pozitive și negative ale tensiunii sunt definite ca potențial terminal de tip P. minus potențialul terminal de tip n. Prin urmare, dacă se respectă această definiție, atunci când celula solară funcționează, valoarea tensiunii sale este pozitivă, valoarea curentă este negativă, iar curba IV este în al patrulea cadran. Cititorilor trebuie să li se reamintească aici că așa-numita diodă ideală se bazează pe multe condiții fizice, iar diodele reale vor avea, în mod natural, câțiva factori neideali care afectează relația curent-tensiune a dispozitivului, cum ar fi curentul de generare-recombinare, aici We won' nu discuta mult. Când celula solară este expusă la lumină, va exista fotocurent în dioda pn. Deoarece direcția câmpului electric încorporat a joncțiunii pn este de la tipul n la tipul p, perechile electron-gaură generate de absorbția fotonilor vor merge spre capătul de tip n, în timp ce găurile vor merge spre p -tip capăt. Fotocurentul format de cei doi va curge de la tipul n la tipul p. În general, direcția curentului înainte a unei diode este definită ca curgând de la tipul p la tipul n. În acest fel, în comparație cu o diodă ideală, fotocurentul generat de o celulă solară atunci când este iluminată este un curent negativ. Relația curent-tensiune a celulei solare este dioda ideală plus un fotocurent negativ IL, a cărui mărime este:

Cu alte cuvinte, când nu există lumină, IL=0, celula solară este doar o diodă obișnuită. Când celula solară este scurtcircuitată, adică V=0, curentul de scurtcircuit este Isc=-IL. Adică, atunci când celula solară este scurtcircuitată, curentul de scurtcircuit este fotocurentul generat de lumina incidentă. Dacă celula solară este în circuit deschis, adică dacă I=0, tensiunea sa în circuit deschis este:

Figura 2. Circuitul echivalent al celulei solare: (a) fără, (b) cu rezistențe în serie și shunt. Trebuie subliniat aici că tensiunea în circuit deschis și curentul de scurtcircuit sunt doi parametri importanți ai caracteristicilor celulei solare.

Puterea de ieșire a unei celule solare este produsul dintre curent și tensiune:

Evident, puterea ieșită de celula solară nu este o valoare fixă. Atinge valoarea maximă la un anumit punct de funcționare curent-tensiune, iar puterea maximă de ieșire Pmax poate fi determinată de dp/dv=0. Putem deduce că tensiunea de ieșire la puterea maximă de ieșire Pmax este:

iar curentul de iesire este:

Puterea maximă de ieșire a celulei solare este:

Eficiența unei celule solare se referă la raportul dintre celula solară care convertește pinul de putere al luminii incidente în puterea electrică de ieșire maximă, adică:

Măsurătorile generale ale eficienței celulelor solare folosesc o sursă de lumină similară cu lumina soarelui cu pin=1000W/㎡.

Experimental, relația curent-tensiune a celulelor solare nu urmează complet descrierea teoretică de mai sus. Acest lucru se datorează faptului că dispozitivul fotovoltaic în sine are așa-numita rezistență în serie și rezistență la șunt. Pentru orice material semiconductor, sau contactul dintre un semiconductor și un metal, va exista inevitabil o rezistență mai mare sau mai mică, care va forma rezistența în serie a dispozitivului fotovoltaic. Pe de altă parte, orice cale de curent, alta decât dioda Pn ideală, între electrozii pozitivi și negativi ai dispozitivului fotovoltaic va provoca așa-numitul curent de scurgere, cum ar fi curentul de generare-recombinare în dispozitiv. , curent de recombinare a suprafeței, izolarea incompletă a marginilor dispozitivului și joncțiunea de penetrare a contactului metalic.

De obicei, folosim rezistența de șunt pentru a defini curentul de scurgere al celulelor solare, adică Rsh=V/Ileak. Cu cât rezistența la șunt este mai mare, cu atât curentul de scurgere este mai mic. Dacă luăm în considerare rezistența comună Rs și rezistența la șunt Rsh, relația curent-tensiune a celulei solare poate fi scrisă astfel:

De asemenea, putem folosi un singur parametru, așa-numitul factor de umplere, pentru a rezuma atât efectele rezistenței în serie, cât și ale rezistenței la șunt. definit ca:

Este evident că factorul de umplere este maxim dacă nu există rezistență în serie și rezistența de șunt este infinită (fără curent de scurgere). Orice creștere a rezistenței în serie sau scădere a rezistenței la șunt va reduce factorul de umplere. În acest fel,. Eficiența celulelor solare poate fi exprimată prin trei parametri importanți: tensiunea în circuit deschis Voc, curentul de scurtcircuit Isc și factorul de umplere FF.

Evident, pentru a îmbunătăți eficiența unei celule solare, este necesar să creștem simultan tensiunea în circuit deschis, curentul de scurtcircuit (adică fotocurent) și factorul de umplere (adică reducerea rezistenței în serie și a curentului de scurgere).

Tensiunea în circuit deschis și curentul de scurtcircuit: Judecând după formula anterioară, tensiunea în circuit deschis a celulei solare este determinată de fotocurent și celula saturată. Din perspectiva fizicii semiconductoarelor, tensiunea circuitului deschis este egală cu diferența de energie Fermi dintre electroni și găurile din regiunea de încărcare a spațiului. În ceea ce privește curentul de saturație al unei diode Pn ideale, puteți utiliza:

a exprima. unde q0 reprezintă sarcina unitară, ni reprezintă concentrația intrinsecă a purtătorului semiconductorului, ND și NA reprezintă fiecare concentrația donorului și acceptorului, Dn și Dp reprezintă fiecare coeficientul de difuzie al electronilor și al găurilor, expresia de mai sus presupune n - Cazul în care atât regiunea de tip, cât și regiunea de tip p sunt ambele largi. În general, pentru celulele solare care utilizează substraturi de tip p, zona de tip n este foarte mică, iar expresia de mai sus trebuie modificată.

Am menționat mai devreme că atunci când o celulă solară este iluminată, se generează un fotocurent, iar fotocurentul este curentul de circuit închis în relația curent-tensiune a celulei solare. Aici vom descrie pe scurt originea fotocurentului. Rata de generare a purtătorilor în unitate de volum pe unitate de timp (unitatea m -3 s -1 ) este determinată de coeficientul de absorbție a luminii, adică

Dintre acestea, α reprezintă coeficientul de absorbție a luminii, care este intensitatea fotonilor incidenti (sau densitatea fluxului fotonic), iar R se referă la coeficientul de reflexie, deci reprezintă intensitatea fotonilor incidenti care nu sunt reflectați. Cele trei mecanisme principale care generează fotocurent sunt: ​​curentul de difuzie al electronilor purtători minoritari în regiunea de tip p, curentul de difuzie al găurilor purtătoare minoritare în regiunea de tip n și deriva de electroni și găuri în regiunea de încărcare spațială. actual. Prin urmare, fotocurentul poate fi exprimat aproximativ ca:

Printre acestea, Ln și Lp reprezintă fiecare lungimea de difuzie a electronilor în regiunea de tip p și găurile în regiunea de tip n și este lățimea regiunii de încărcare spațială. Rezumând aceste rezultate, obținem o expresie simplă pentru tensiunea în circuit deschis:

unde Vrcc reprezintă rata de recombinare a perechilor electron-gaură pe unitate de volum. Desigur, acesta este un rezultat natural, deoarece tensiunea circuitului deschis este egală cu diferența de energie Fermi dintre electroni și găurile din regiunea de încărcare a spațiului, iar diferența de energie Fermi dintre electroni și găuri este determinată de rata de generare a purtătorului și rata de recombinare. .