Как работают солнечные батареи

Солнечные батареи поглощают солнечный свет, чтобы выполнять функции обычных батарей. Но в отличие от традиционных батарей, выходное напряжение и максимальная выходная мощность традиционных батарей фиксированы, а выходное напряжение, ток и мощность солнечных элементов связаны с условиями освещения и рабочими точками нагрузки. По этой причине, чтобы использовать солнечные элементы для выработки электроэнергии, вы должны понимать соотношение тока и напряжения и принцип работы солнечных элементов.

Спектральная освещенность солнечного света:

Источником энергии солнечных элементов является солнечный свет, поэтому интенсивность и спектр падающего солнечного света определяют выходной ток и напряжение солнечного элемента. Мы знаем, что когда объект помещается под солнце, он получает солнечный свет двумя способами: прямой солнечный свет и рассеянный солнечный свет после рассеяния другими объектами на поверхности. В нормальных условиях прямой падающий свет составляет около 80% света, получаемого солнечным элементом. Поэтому наше следующее обсуждение также будет сосредоточено на прямом воздействии солнечного света.

Интенсивность и спектр солнечного света могут быть выражены спектральной интенсивностью излучения, которая представляет собой мощность света на единицу длины волны на единицу площади (Вт/мкм). Интенсивность солнечного света (Вт/㎡) представляет собой сумму всех длин волн спектра освещения. Спектр освещенности солнечного света связан с измеренным положением и углом солнца относительно земной поверхности. Это связано с тем, что солнечный свет будет поглощаться и рассеиваться атмосферой, прежде чем достигнет поверхности Земли. Два фактора положения и угла обычно представлены так называемой воздушной массой (АМ). Что касается солнечного освещения, АМО относится к ситуации в космическом пространстве, когда солнце светит прямо. Его интенсивность света составляет примерно 1353 Вт/㎡, что примерно эквивалентно источнику света, создаваемому излучением абсолютно черного тела с температурой 5800К. АМИ относится к ситуации на земной поверхности, когда солнце светит прямо, интенсивность света составляет около 925 Вт/м2. AMI.5 относится к ситуации на земной поверхности, когда солнце падает под углом 45 градусов, интенсивность света составляет около 844 Вт/м2. AM 1,5 обычно используется для обозначения средней освещенности солнечного света на поверхности Земли. Модель схемы солнечной батареи:

В отсутствие света солнечный элемент ведет себя как диод с pn-переходом. Соотношение ток-напряжение идеального диода можно выразить как

Где I представляет ток, V представляет напряжение, Is — ток насыщения и VT=KBT/q0, где KB представляет собой константу БоИцмана, q0 — единицу электрического заряда, а T — температуру. При комнатной температуре VT=0,026В. Следует отметить, что направление тока диода Pn определяется как протекание от P-типа к n-типу в устройстве, а положительные и отрицательные значения напряжения определяются как потенциал терминала P-типа. минус терминальный потенциал n-типа. Следовательно, если следовать этому определению, когда солнечный элемент работает, его значение напряжения будет положительным, его текущее значение будет отрицательным, а ВАХ находится в четвертом квадранте. Здесь следует напомнить читателям, что так называемый идеальный диод основан на многих физических условиях, и реальные диоды, естественно, будут иметь некоторые неидеальные факторы, которые влияют на соотношение ток-напряжение устройства, такие как ток генерации-рекомбинации, здесь мы не будем Я не обсуждаю это много. Когда солнечный элемент подвергается воздействию света, в pn-диоде возникает фототок. Поскольку направление встроенного электрического поля pn-перехода варьируется от n-типа к p-типу, пары электрон-дырка, генерируемые поглощением фотонов, будут бежать к концу n-типа, а дырки - к концу p-типа. -тип конца. Фототок, образованный ими, будет течь от n-типа к p-типу. Обычно направление прямого тока диода определяется как текущее от p-типа к n-типу. Таким образом, по сравнению с идеальным диодом, фототок, генерируемый солнечным элементом при освещении, является отрицательным током. Соотношение ток-напряжение солнечного элемента представляет собой идеальный диод плюс отрицательный фототок IL, величина которого равна:

Другими словами, когда нет света, IL=0, солнечный элемент представляет собой обычный диод. Когда солнечный элемент закорочен, то есть V=0, ток короткого замыкания равен Isc=-IL. Другими словами, когда солнечный элемент закорочен, ток короткого замыкания представляет собой фототок, генерируемый падающим светом. Если солнечный элемент имеет разомкнутую цепь, то есть если I=0, его напряжение холостого хода равно:

Рисунок 2. Эквивалентная схема солнечного элемента: (а) без, (б) с последовательным и шунтирующим резисторами. Здесь следует подчеркнуть, что напряжение холостого хода и ток короткого замыкания являются двумя важными параметрами характеристик солнечных элементов.

Выходная мощность солнечного элемента представляет собой произведение тока и напряжения:

Очевидно, что выходная мощность солнечного элемента не является фиксированной величиной. Он достигает максимального значения в определенной рабочей точке ток-напряжение, а максимальная выходная мощность Pmax может быть определена как dp/dv=0. Мы можем сделать вывод, что выходное напряжение при максимальной выходной мощности Pmax составляет:

и выходной ток:

Максимальная выходная мощность солнечного элемента составляет:

КПД солнечного элемента относится к коэффициенту преобразования солнечного элемента мощности Pin падающего света в максимальную выходную электрическую мощность, то есть:

Для общих измерений эффективности солнечных батарей используется источник света, аналогичный солнечному свету, с выводом = 1000 Вт/㎡.

Экспериментально соотношение тока и напряжения солнечных элементов не полностью соответствует приведенному выше теоретическому описанию. Это связано с тем, что само фотоэлектрическое устройство имеет так называемое последовательное сопротивление и шунтирующее сопротивление. Для любого полупроводникового материала или контакта между полупроводником и металлом неизбежно будет большее или меньшее сопротивление, которое образует последовательное сопротивление фотоэлектрического устройства. С другой стороны, любой путь тока, отличный от идеального Pn-диода, между положительным и отрицательным электродами фотоэлектрического устройства, вызовет так называемый ток утечки, такой как ток генерации-рекомбинации в устройстве. , ток поверхностной рекомбинации, неполная краевая изоляция устройства и металлоконтактный переход.

Обычно мы используем шунтирующее сопротивление для определения тока утечки солнечных элементов, то есть Rsh=V/Ileak. Чем больше сопротивление шунта, тем меньше ток утечки. Если мы рассмотрим совместное сопротивление Rs и сопротивление шунта Rsh, зависимость тока от напряжения солнечного элемента можно записать как:

Мы также можем использовать только один параметр, так называемый коэффициент заполнения, чтобы суммировать эффекты последовательного сопротивления и сопротивления шунта. определяется как:

Очевидно, что коэффициент заполнения максимален, если нет последовательного резистора и шунтирующее сопротивление бесконечно (нет тока утечки). Любое увеличение последовательного сопротивления или уменьшение сопротивления шунта приведет к снижению коэффициента заполнения. Таким образом,. Эффективность солнечных элементов можно выразить тремя важными параметрами: напряжением холостого хода Voc, током короткого замыкания Isc и коэффициентом заполнения FF.

Очевидно, что для повышения эффективности солнечного элемента необходимо одновременно увеличить его напряжение холостого хода, ток короткого замыкания (то есть фототок) и коэффициент заполнения (то есть уменьшить последовательное сопротивление и ток утечки).

Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания: Судя по предыдущей формуле, напряжение холостого хода солнечного элемента определяется фототоком и насыщенным элементом. С точки зрения физики полупроводников напряжение холостого хода равно разности энергий Ферми между электронами и дырками в области пространственного заряда. Что касается тока насыщения идеального Pn-диода, то можно использовать:

выражать. где q0 представляет собой единичный заряд, ni представляет собой собственную концентрацию носителей носителей полупроводника, ND и NA каждый представляет собой концентрацию донора и акцептора, Dn и Dp каждый представляют собой коэффициент диффузии электронов и дырок, в приведенном выше выражении предполагается n - Случай, когда и типовая область, и область p-типа широкие. Как правило, для солнечных элементов, использующих подложки p-типа, область n-типа очень мала, и приведенное выше выражение необходимо изменить.

Ранее мы упоминали, что когда солнечный элемент освещается, генерируется фототок, а фототок представляет собой ток замкнутой цепи в зависимости ток-напряжение солнечного элемента. Здесь мы кратко опишем происхождение фототока. Скорость генерации носителей в единице объема в единицу времени (единицы м -3 с -1 ) определяется коэффициентом поглощения света, т.е.

Среди них α представляет собой коэффициент поглощения света, который представляет собой интенсивность падающих фотонов (или плотность потока фотонов), а R относится к коэффициенту отражения, поэтому он представляет интенсивность падающих фотонов, которые не отражаются. Тремя основными механизмами генерации фототока являются: диффузионный ток неосновных электронов-носителей в области p-типа, диффузионный ток дырок неосновных носителей в области n-типа и дрейф электронов и дырок в области пространственного заряда. текущий. Следовательно, фототок можно приближенно выразить как:

Среди них Ln и Lp представляют собой диффузионную длину электронов в области p-типа и дырок в области n-типа, а также ширину области пространственного заряда. Суммируя эти результаты, получаем простое выражение для напряжения холостого хода:

где Vrcc представляет скорость рекомбинации электронно-дырочных пар на единицу объема. Конечно, это закономерный результат, поскольку напряжение холостого хода равно разности энергий Ферми между электронами и дырками в области пространственного заряда, а разность энергий Ферми между электронами и дырками определяется скоростью генерации носителей и скоростью рекомбинации. .