Ako fungujú solárne články

Solárne bunky absorbujú slnečné svetlo a vytvárajú funkcie bežných batérií. Ale na rozdiel od tradičných batérií sú výstupné napätie a maximálny výstupný výkon tradičných batérií fixné, zatiaľ čo výstupné napätie, prúd a výkon solárnych článkov súvisia so svetelnými podmienkami a prevádzkovými bodmi zaťaženia. Z tohto dôvodu, ak chcete použiť solárne články na výrobu elektriny, musíte pochopiť vzťah medzi prúdom a napätím a princíp fungovania solárnych článkov.

Spektrálne osvetlenie slnečného svetla:

Zdrojom energie solárnych článkov je slnečné svetlo, takže intenzita a spektrum dopadajúceho slnečného žiarenia určuje prúd a napäťový výkon solárneho článku. Vieme, že keď je objekt umiestnený pod slnkom, dostáva slnečné svetlo dvoma spôsobmi, jedným je priame slnečné svetlo a druhým je difúzne slnečné svetlo po rozptýlení inými objektmi na povrchu. Za normálnych okolností tvorí priame dopadajúce svetlo asi 80 % svetla prijatého solárnym článkom. Naša nasledujúca diskusia sa preto zameria aj na priame vystavovanie sa slnečnému žiareniu.

Intenzitu a spektrum slnečného žiarenia je možné vyjadriť spektrom ožiarenosti, čo je svetelný výkon na jednotku vlnovej dĺžky na jednotku plochy (W/㎡um). Intenzita slnečného svetla (W/㎡) je súčtom všetkých vlnových dĺžok osvetlenia spektra. Spektrálne osvetlenie slnečného svetla súvisí s nameranou polohou a uhlom slnka voči zemskému povrchu. Je to preto, že slnečné svetlo bude absorbované a rozptýlené atmosférou skôr, ako dosiahne zemský povrch. Dva faktory polohy a uhla sú vo všeobecnosti reprezentované takzvanou vzduchovou hmotou (AM). Pre slnečné osvetlenie sa AMO vzťahuje na situáciu vo vesmíre, keď slnko priamo svieti. Jeho intenzita svetla je približne 1353 W/㎡, čo je približne ekvivalent svetelného zdroja produkovaného žiarením čierneho telesa s teplotou 5800 K. AMI označuje situáciu na zemskom povrchu, keď priamo svieti slnko, intenzita svetla je cca 925 W/m2. AMI.5 označuje situáciu na zemskom povrchu, keď slnko dopadá pod uhlom 45 stupňov, intenzita svetla je cca 844 W/m2. AM 1,5 sa všeobecne používa na vyjadrenie priemerného osvetlenia slnečného svetla na zemskom povrchu. Model okruhu solárnych článkov:

Keď nie je svetlo, solárny článok sa správa ako pn prechodová dióda. Vzťah medzi prúdom a napätím ideálnej diódy možno vyjadriť ako

Kde I predstavuje prúd, V predstavuje napätie, Is je saturačný prúd a VT=KBT/q0, kde KB predstavuje BoItzmannovu konštantu, q0 je jednotkový elektrický náboj a T je teplota. Pri izbovej teplote VT = 0,026 V. Je potrebné poznamenať, že smer prúdu diódy Pn je definovaný tak, aby prúdil z typu P na typ n v zariadení, a kladné a záporné hodnoty napätia sú definované ako potenciál terminálu typu P. mínus koncový potenciál typu n. Preto, ak sa dodrží táto definícia, keď solárny článok pracuje, jeho hodnota napätia je kladná, jeho aktuálna hodnota je záporná a IV krivka je v štvrtom kvadrante. Čitateľom je potrebné pripomenúť, že takzvaná ideálna dióda je založená na mnohých fyzikálnych podmienkach a skutočné diódy budú mať prirodzene niektoré neideálne faktory, ktoré ovplyvňujú vzťah medzi prúdom a napätím zariadenia, ako napríklad generačný rekombinačný prúd. veľa o tom diskutovať. Keď je solárny článok vystavený svetlu, v pn dióde bude fotoprúd. Pretože smer zabudovaného elektrického poľa pn prechodu je od typu n k typu p, páry elektrón-diera generované absorpciou fotónov budú smerovať ku koncu typu n, zatiaľ čo diery budú smerovať k p - typ koniec. Fotoprúd tvorený týmito dvoma bude prúdiť z typu n na typ p. Vo všeobecnosti je dopredný smer prúdu diódy definovaný ako prúdiaci od typu p k typu n. Týmto spôsobom, v porovnaní s ideálnou diódou, fotoprúd generovaný solárnym článkom pri osvetlení je záporný prúd. Vzťah medzi prúdom a napätím solárneho článku je ideálna dióda plus záporný fotoprúd IL, ktorého veľkosť je:

Inými slovami, keď nie je svetlo, IL=0, solárny článok je len obyčajná dióda. Keď je solárny článok skratovaný, to znamená V=0, skratový prúd je Isc=-IL. To znamená, že keď je solárny článok skratovaný, skratový prúd je fotoprúd generovaný dopadajúcim svetlom. Ak je solárny článok otvorený, to znamená, ak I=0, jeho napätie naprázdno je:

Obrázok 2. Ekvivalentný obvod solárneho článku: (a) bez, (b) so sériovým a bočným odporom. Tu je potrebné zdôrazniť, že napätie naprázdno a skratový prúd sú dva dôležité parametre charakteristík solárnych článkov.

Výkon solárneho článku je výsledkom prúdu a napätia:

Je zrejmé, že výstupný výkon solárneho článku nie je pevnou hodnotou. Maximálnu hodnotu dosahuje pri určitom pracovnom bode prúdového napätia a maximálny výstupný výkon Pmax možno určiť pomocou dp/dv=0. Môžeme odvodiť, že výstupné napätie pri maximálnom výstupnom výkone Pmax je:

a výstupný prúd je:

Maximálny výstupný výkon solárneho článku je:

Účinnosť solárneho článku sa vzťahuje na pomer solárneho článku premieňajúceho výkonový kolík dopadajúceho svetla na maximálny výstupný elektrický výkon, to znamená:

Všeobecné merania účinnosti solárnych článkov využívajú svetelný zdroj podobný slnečnému žiareniu s kolíkom = 1000 W/㎡.

Experimentálne sa vzťah medzi prúdom a napätím solárnych článkov úplne nezhoduje s vyššie uvedeným teoretickým popisom. Samotné fotovoltické zariadenie má totiž takzvaný sériový odpor a bočný odpor. Pre akýkoľvek polovodičový materiál alebo kontakt medzi polovodičom a kovom bude nevyhnutne existovať väčší alebo menší odpor, ktorý bude tvoriť sériový odpor fotovoltaického zariadenia. Na druhej strane, akákoľvek prúdová cesta iná ako ideálna Pn dióda medzi kladnými a zápornými elektródami fotovoltaického zariadenia spôsobí takzvaný únikový prúd, ako je generačný rekombinačný prúd v zariadení. , povrchový rekombinačný prúd, neúplná okrajová izolácia zariadenia a spojenie s kovovým kontaktom.

Zvyčajne používame bočný odpor na definovanie zvodového prúdu solárnych článkov, to znamená Rsh=V/Ileak. Čím väčší je bočný odpor, tým menší je zvodový prúd. Ak vezmeme do úvahy odpor spoja Rs a odpor skratu Rsh, vzťah medzi prúdom a napätím solárneho článku možno zapísať ako:

Môžeme tiež použiť iba jeden parameter, takzvaný faktor plnenia, na zhrnutie účinkov sériového odporu a odporu skratu. definovaný ako:

Je zrejmé, že faktor plnenia je maximálny, ak neexistuje sériový odpor a odpor bočníka je nekonečný (žiadny zvodový prúd). Akékoľvek zvýšenie sériového odporu alebo zníženie odporu skratu zníži faktor plnenia. Touto cestou,. Účinnosť solárnych článkov možno vyjadriť tromi dôležitými parametrami: napätím naprázdno Voc, skratovým prúdom Isc a faktorom plnenia FF.

Je zrejmé, že na zlepšenie účinnosti solárneho článku je potrebné súčasne zvýšiť jeho napätie naprázdno, skratový prúd (to znamená fotoprúd) a faktor plnenia (to znamená znížiť sériový odpor a zvodový prúd).

Napätie naprázdno a skratový prúd: Podľa predchádzajúceho vzorca je napätie naprázdno solárneho článku určené fotoprúdom a nasýteným článkom. Z pohľadu fyziky polovodičov sa napätie naprázdno rovná Fermiho energetickému rozdielu medzi elektrónmi a dierami v oblasti priestorového náboja. Pokiaľ ide o saturačný prúd ideálnej Pn diódy, môžete použiť:

vyjadriť. kde q0 predstavuje jednotkový náboj, ni predstavuje vnútornú nosnú koncentráciu polovodiča, ND a NA každý predstavuje koncentráciu donoru a akceptora, každý Dn a Dp predstavuje koeficient difúzie elektrónov a dier, vyššie uvedený výraz predpokladá n - Prípad, keď oblasť typu aj oblasť typu p sú široké. Vo všeobecnosti platí, že pre solárne články používajúce substráty typu p je oblasť typu n veľmi plytká a vyššie uvedený výraz je potrebné upraviť.

Už sme spomenuli, že keď je solárny článok osvetlený, generuje sa fotoprúd a fotoprúd je prúd v uzavretom obvode vo vzťahu medzi prúdom a napätím solárneho článku. Tu si stručne popíšeme vznik fotoprúdu. Rýchlosť generovania nosičov v jednotke objemu za jednotku času (jednotka m -3 s -1 ) je určená koeficientom absorpcie svetla, tj.

Spomedzi nich α predstavuje koeficient absorpcie svetla, čo je intenzita dopadajúcich fotónov (alebo hustota toku fotónov) a R označuje koeficient odrazu, takže predstavuje intenzitu dopadajúcich fotónov, ktoré sa neodrážajú. Tri hlavné mechanizmy, ktoré generujú fotoprúd, sú: difúzny prúd menšinových nosných elektrónov v oblasti typu p, difúzny prúd dier menšinových nosných dier v oblasti typu n a drift elektrónov a dier v oblasti priestorového náboja. prúd. Preto možno fotoprúd približne vyjadriť ako:

Spomedzi nich Ln a Lp každý predstavuje difúznu dĺžku elektrónov v oblasti typu p a dier v oblasti typu n a je šírkou oblasti priestorového náboja. Zhrnutím týchto výsledkov dostaneme jednoduchý výraz pre napätie naprázdno:

kde Vrcc predstavuje mieru rekombinácie párov elektrón-diera na jednotku objemu. Samozrejme, je to prirodzený výsledok, pretože napätie v otvorenom obvode sa rovná Fermiho energetickému rozdielu medzi elektrónmi a dierami v oblasti priestorového náboja a Fermiho energetický rozdiel medzi elektrónmi a dierami je určený rýchlosťou generovania nosiča a rýchlosťou rekombinácie. .