Kako delujejo sončne celice

Sončne celice absorbirajo sončno svetlobo za delovanje običajnih baterij. Toda za razliko od tradicionalnih baterij sta izhodna napetost in največja izhodna moč tradicionalnih baterij fiksni, medtem ko so izhodna napetost, tok in moč sončnih celic povezani s svetlobnimi pogoji in delovnimi točkami obremenitve. Zaradi tega morate za uporabo sončnih celic za pridobivanje električne energije razumeti razmerje tok-napetost in princip delovanja sončnih celic.

Spektralna osvetlitev sončne svetlobe:

Vir energije sončnih celic je sončna svetloba, zato intenzivnost in spekter vpadne sončne svetlobe določata izhodni tok in napetost sončne celice. Vemo, da ko predmet postavimo pod sonce, prejme sončno svetlobo na dva načina, prvi je neposredna sončna svetloba, drugi pa razpršena sončna svetloba, potem ko jo razpršijo drugi predmeti na površini. V normalnih okoliščinah neposredna vpadna svetloba predstavlja približno 80 % svetlobe, ki jo sprejme sončna celica. Zato se bo naša naslednja razprava osredotočila tudi na neposredno izpostavljenost sončni svetlobi.

Intenzivnost in spekter sončne svetlobe lahko izrazimo s spektralno obsevanostjo, ki je moč svetlobe na enoto valovne dolžine na enoto površine (W/㎡um). Intenzivnost sončne svetlobe (W/㎡) je vsota vseh valovnih dolžin svetlobnega spektra. Osvetlitev spektra sončne svetlobe je povezana z izmerjenim položajem in kotom sonca glede na zemeljsko površino. To je zato, ker bo ozračje absorbiralo in razpršilo sončno svetlobo, preden doseže zemeljsko površje. Dva faktorja, položaj in kot, sta na splošno predstavljena s tako imenovano zračno maso (AM). Za sončno osvetlitev se AMO nanaša na razmere v vesolju, ko sonce sije neposredno. Njegova svetlobna jakost je približno 1353 W/㎡, kar je približno enakovredno svetlobnemu viru, ki ga ustvari sevanje črnega telesa s temperaturo 5800 K. AMI se nanaša na stanje na zemeljskem površju, ko sonce sije neposredno, je jakost svetlobe približno 925 W/m2. AMI.5 se nanaša na stanje na zemeljski površini, ko sonce vpada pod kotom 45 stopinj, je jakost svetlobe približno 844 W/m2. AM 1,5 se običajno uporablja za predstavitev povprečne osvetlitve sončne svetlobe na zemeljski površini. Model vezja sončne celice:

Ko ni svetlobe, se sončna celica obnaša kot dioda s pn spojem. Razmerje tok-napetost idealne diode lahko izrazimo kot

Kjer I predstavlja tok, V predstavlja napetost, Is je tok nasičenja in VT=KBT/q0, kjer KB predstavlja BoItzmannovo konstanto, q0 je enota električnega naboja in T je temperatura. Pri sobni temperaturi VT=0,026v. Upoštevati je treba, da je smer toka diode Pn definirana tako, da teče od tipa P do tipa n v napravi, pozitivne in negativne vrednosti napetosti pa so definirane kot terminalni potencial tipa P minus terminalni potencial n-tipa. Zato je, če upoštevamo to definicijo, ko sončna celica deluje, njena vrednost napetosti pozitivna, trenutna vrednost negativna in IV krivulja je v četrtem kvadrantu. Bralce je treba opozoriti, da tako imenovana idealna dioda temelji na številnih fizikalnih pogojih in da bodo dejanske diode seveda imele nekaj neidealnih dejavnikov, ki vplivajo na razmerje tok-napetost naprave, kot je generacijsko-rekombinacijski tok, tukaj Bomo ne razpravljaj veliko o tem. Ko je sončna celica izpostavljena svetlobi, bo v pn diodi nastal fototok. Ker je vgrajena smer električnega polja pn-spojnice od n-tipa do p-tipa, bodo pari elektron-luknja, ki nastanejo zaradi absorpcije fotonov, tekli proti koncu n-tipa, medtem ko bodo luknje tekle proti p-tipu. - tip konec. Fototok, ki ga tvorita oba, bo tekel iz n-tipa v p-tip. Na splošno je smer neposrednega toka diode opredeljena kot pretok iz p-tipa v n-tip. Na ta način je v primerjavi z idealno diodo fototok, ki ga ustvari sončna celica ob osvetlitvi, negativen tok. Razmerje tok-napetost sončne celice je idealna dioda plus negativni fototok IL, katerega velikost je:

Z drugimi besedami, ko ni svetlobe, IL=0, je sončna celica le navadna dioda. Ko je sončna celica v kratkem stiku, to je V=0, je tok kratkega stika Isc=-IL. To pomeni, da ko je sončna celica v kratkem stiku, je tok kratkega stika fototok, ki ga ustvari vpadna svetloba. Če ima sončna celica odprt tokokrog, to je, če je I=0, je napetost odprtega tokokroga:

Slika 2. Ekvivalentno vezje sončne celice: (a) brez, (b) s serijskimi in shuntnimi upori. Tu je treba poudariti, da sta napetost odprtega tokokroga in tok kratkega stika dva pomembna parametra karakteristik sončne celice.

Izhodna moč sončne celice je produkt toka in napetosti:

Očitno izhodna moč sončne celice ni fiksna vrednost. Največjo vrednost doseže pri določeni tokovno-napetostni delovni točki, največjo izhodno moč Pmax pa lahko določimo z dp/dv=0. Sklepamo lahko, da je izhodna napetost pri največji izhodni moči Pmax:

in izhodni tok je:

Največja izhodna moč sončne celice je:

Učinkovitost sončne celice se nanaša na razmerje, v katerem sončna celica pretvori moč Pin vpadne svetlobe v največjo izhodno električno moč, to je:

Splošne meritve učinkovitosti sončnih celic uporabljajo vir svetlobe, podoben sončni svetlobi, s pin=1000 W/㎡.

Eksperimentalno razmerje tok-napetost sončnih celic ne sledi popolnoma zgornjemu teoretičnemu opisu. To je zato, ker ima sama fotovoltaična naprava tako imenovano serijsko upornost in upornost shunta. Za kateri koli polprevodniški material ali stik med polprevodnikom in kovino bo neizogibno obstajal večji ali manjši upor, ki bo tvoril serijsko upornost fotovoltaične naprave. Po drugi strani pa bo katera koli tokovna pot, razen idealne Pn diode med pozitivno in negativno elektrodo fotonapetostne naprave, povzročila tako imenovani tok uhajanja, kot je generacijsko-rekombinacijski tok v napravi. , površinski rekombinacijski tok, nepopolna robna izolacija naprave in prebojno stičišče kovinskega kontakta.

Običajno uporabljamo ranžirni upor za definiranje toka uhajanja sončnih celic, to je Rsh=V/Ileak. Večji kot je upor šanta, manjši je tok uhajanja. Če upoštevamo skupno upornost Rs in šantno upornost Rsh, lahko razmerje tok-napetost sončne celice zapišemo kot:

Uporabimo lahko tudi samo en parameter, tako imenovani faktor polnjenja, da povzamemo tako učinke serijske upornosti kot upornosti šanta. definirano kot:

Očitno je, da je faktor polnjenja največji, če ni serijskega upora in je upor shunta neskončen (brez toka uhajanja). Vsako povečanje serijske upornosti ali zmanjšanje upornosti šanta bo zmanjšalo faktor polnjenja. V to smer,. Učinkovitost sončnih celic lahko izrazimo s tremi pomembnimi parametri: napetost odprtega tokokroga Voc, tok kratkega stika Isc in faktor polnjenja FF.

Očitno je, da je za izboljšanje učinkovitosti sončne celice potrebno sočasno povečati napetost odprtega tokokroga, tok kratkega stika (to je fototok) in faktor polnjenja (to je zmanjšanje serijske upornosti in toka uhajanja).

Napetost odprtega tokokroga in tok kratkega stika: Sodeč po prejšnji formuli je napetost odprtega tokokroga sončne celice določena s fototokom in nasičeno celico. Z vidika fizike polprevodnikov je napetost odprtega tokokroga enaka razliki Fermijeve energije med elektroni in luknjami v območju prostorskega naboja. Kar zadeva tok nasičenja idealne diode Pn, lahko uporabite:

izraziti. kjer q0 predstavlja enoto naboja, ni predstavlja intrinzično koncentracijo nosilca polprevodnika, ND in NA vsak predstavljata koncentracijo donorja in akceptorja, Dn in Dp vsak predstavljata difuzijski koeficient elektronov in lukenj, zgornji izraz predpostavlja n - Primer, ko sta obe regiji tipa in regiji tipa p široki. Na splošno je pri sončnih celicah, ki uporabljajo substrate p-tipa, območje n-tipa zelo plitvo, zato je treba zgornji izraz spremeniti.

Prej smo omenili, da ko je sončna celica osvetljena, nastane fototok, fototok pa je tok zaprtega kroga v razmerju tok-napetost sončne celice. Tukaj bomo na kratko opisali izvor fototoka. Hitrost generiranja nosilcev v enoti prostornine na enoto časa (enota m -3 s -1 ) je določena s koeficientom absorpcije svetlobe, tj.

Med njimi α predstavlja koeficient absorpcije svetlobe, ki je intenziteta vpadnih fotonov (ali gostota pretoka fotonov), R pa se nanaša na koeficient odboja, torej predstavlja intenzivnost vpadnih fotonov, ki se ne odbijejo. Trije glavni mehanizmi, ki ustvarjajo fototok, so: difuzijski tok manjšinskih nosilcev elektronov v območju p-tipa, difuzijski tok manjšinskih nosilcev lukenj v območju n-tipa ter odnašanje elektronov in lukenj v območju prostorskega naboja. trenutno. Zato lahko fototok približno izrazimo kot:

Med njimi Ln in Lp vsak predstavljata difuzijsko dolžino elektronov v območju p-tipa in lukenj v območju n-tipa ter je širina območja prostorskega naboja. Če povzamemo te rezultate, dobimo preprost izraz za napetost odprtega tokokroga:

kjer Vrcc predstavlja hitrost rekombinacije parov elektron-luknja na enoto volumna. Seveda je to naraven rezultat, ker je napetost odprtega tokokroga enaka razliki Fermijeve energije med elektroni in luknjami v območju prostorskega naboja, razlika v Fermijevi energiji med elektroni in luknjami pa je določena s hitrostjo generiranja nosilcev in hitrostjo rekombinacije .