Како раде соларне ћелије

Соларне ћелије апсорбују сунчеву светлост да би произвели функције обичних батерија. Али за разлику од традиционалних батерија, излазни напон и максимална излазна снага традиционалних батерија су фиксни, док су излазни напон, струја и снага соларних ћелија повезани са условима осветљења и радним тачкама оптерећења. Због тога, да бисте користили соларне ћелије за производњу електричне енергије, морате разумети однос струје и напона и принцип рада соларних ћелија.

Спектрално осветљење сунчеве светлости:

Извор енергије соларних ћелија је сунчева светлост, тако да интензитет и спектар упадне сунчеве светлости одређују струју и напон на излазу соларне ћелије. Знамо да када се објекат стави под сунце, он прима сунчеву светлост на два начина, један је директна сунчева светлост, а други је дифузна сунчева светлост након што је распршена другим објектима на површини. У нормалним околностима, директно упадно светло чини око 80% светлости коју прима соларна ћелија. Стога ће се наша следећа дискусија такође фокусирати на директно излагање сунчевој светлости.

Интензитет и спектар сунчеве светлости могу се изразити зрачењем спектра, што је снага светлости по јединици таласне дужине по јединици површине (В/㎡ум). Интензитет сунчеве светлости (В/㎡) је збир свих таласних дужина осветљења спектра. Спектар осветљености сунчеве светлости повезан је са измереним положајем и углом сунца у односу на површину земље. То је зато што ће сунчева светлост бити апсорбована и распршена у атмосфери пре него што стигне до површине земље. Два фактора положаја и угла су генерално представљена такозваном ваздушном масом (АМ). За соларно осветљење, АМО се односи на ситуацију у свемиру када сунце директно сија. Његов интензитет светлости је приближно 1353 В/㎡, што је приближно еквивалентно извору светлости који производи зрачење црног тела са температуром од 5800К. АМИ се односи на стање на површини земље, када сунце сија директно, интензитет светлости је око 925 В/м2. АМИ.5 се односи на ситуацију на површини земље, када сунце пада под углом од 45 степени, интензитет светлости је око 844 В/м2. АМ 1,5 се генерално користи за представљање просечне осветљености сунчеве светлости на површини земље. Модел кола соларних ћелија:

Када нема светлости, соларна ћелија се понаша као диода пн споја. Однос струје и напона идеалне диоде може се изразити као

Где И представља струју, В представља напон, Ис је струју засићења, а ВТ=КБТ/к0, где КБ представља БоИцманову константу, к0 је јединични електрични набој, а Т је температура. На собној температури, ВТ=0,026в. Треба напоменути да је смер струје Пн диоде дефинисан да тече од П-типа до н-типа у уређају, а позитивне и негативне вредности напона су дефинисане као терминални потенцијал П-типа минус терминални потенцијал н-типа. Према томе, ако се следи ова дефиниција, када соларна ћелија ради, њена вредност напона је позитивна, њена тренутна вредност је негативна, а ИВ крива је у четвртом квадранту. Читаоце се овде мора подсетити да је такозвана идеална диода заснована на многим физичким условима, а стварне диоде ће природно имати неке неидеалне факторе који утичу на однос струје и напона уређаја, као што је струја генерације-рекомбинације, овде ћемо не расправљам много о томе. Када је соларна ћелија изложена светлости, постојаће фотоструја у пн диоди. Пошто је уграђени правац електричног поља пн споја од н-типа ка п-типу, парови електрон-рупа настали апсорпцијом фотона ће се кретати према крају н-типа, док ће рупе ићи према п -врста краја. Фотоструја коју формирају ова два ће тећи од н-типа до п-типа. Генерално, правац струје диоде се дефинише као да тече од п-типа ка н-типу. На овај начин, у поређењу са идеалном диодом, фотоструја коју генерише соларна ћелија када је осветљена је негативна струја. Однос струје и напона соларне ћелије је идеална диода плус негативна фотоструја ИЛ, чија је величина:

Другим речима, када нема светлости, ИЛ=0, соларна ћелија је само обична диода. Када је соларна ћелија кратко спојена, односно В=0, струја кратког споја је Исц=-ИЛ. Односно, када је соларна ћелија кратко спојена, струја кратког споја је фотоструја коју генерише упадна светлост. Ако је соларна ћелија отвореног кола, односно, ако је И=0, њен напон отвореног кола је:

Слика 2. Еквивалентно коло соларне ћелије: (а) без, (б) са серијским и шант отпорницима. Овде се мора нагласити да су напон отвореног кола и струја кратког споја два важна параметра карактеристика соларних ћелија.

Излазна снага соларне ћелије је производ струје и напона:

Очигледно, излазна снага соларне ћелије није фиксна вредност. Достиже максималну вредност у одређеној струјно-напонској радној тачки, а максимална излазна снага Пмак се може одредити са дп/дв=0. Можемо закључити да је излазни напон при максималној излазној снази Пмак:

а излазна струја је:

Максимална излазна снага соларне ћелије је:

Ефикасност соларне ћелије се односи на однос соларне ћелије која претвара снагу Пин упадне светлости у максималну излазну електричну снагу, односно:

Општа мерења ефикасности соларних ћелија користе извор светлости сличан сунчевој светлости са пин=1000В/㎡.

Експериментално, однос струје и напона соларних ћелија не прати у потпуности горњи теоријски опис. То је зато што сам фотонапонски уређај има такозвани серијски отпор и отпор шанта. За било који полупроводнички материјал, или контакт између полупроводника и метала, неизбежно ће постојати већи или мањи отпор, који ће формирати серијски отпор фотонапонског уређаја. С друге стране, било која струјна путања осим идеалне Пн диоде између позитивне и негативне електроде фотонапонског уређаја ће изазвати такозвану струју цурења, као што је струја генерације-рекомбинације у уређају. , струја површинске рекомбинације, непотпуна ивична изолација уређаја и спој пенетрације металног контакта.

Обично користимо отпор шанта да дефинишемо струју цурења соларних ћелија, односно Рсх=В/Илеак. Што је већи отпор шанта, то је мања струја цурења. Ако узмемо у обзир заједнички отпор Рс и отпор шанта Рсх, однос струје и напона соларне ћелије може се записати као:

Такође можемо користити само један параметар, такозвани фактор пуњења, да сумирамо и ефекте серијског отпора и отпора шанта. дефинисан као:

Очигледно је да је фактор пуњења максималан ако нема серијског отпорника и ако је отпор шанта бесконачан (без струје цурења). Свако повећање серијског отпора или смањење отпора шанта ће смањити фактор пуњења. На овај начин,. Ефикасност соларних ћелија се може изразити са три важна параметра: напон отвореног кола Воц, струја кратког споја Исц и фактор пуњења ФФ.

Очигледно, да би се побољшала ефикасност соларне ћелије, потребно је истовремено повећати њен напон отвореног кола, струју кратког споја (тј. фотострују) и фактор пуњења (односно, смањити серијски отпор и струју цурења).

Напон отвореног кола и струја кратког споја: Судећи по претходној формули, напон отвореног кола соларне ћелије је одређен фотострујом и засићеном ћелијом. Из перспективе физике полупроводника, напон отвореног кола је једнак разлици Фермијеве енергије између електрона и рупа у области просторног наелектрисања. Што се тиче струје засићења идеалне Пн диоде, можете користити:

да изразе. где к0 представља јединични набој, ни представља интринзичну концентрацију носача полупроводника, НД и НА сваки представљају концентрацију донора и акцептора, Дн и Дп сваки представљају коефицијент дифузије електрона и рупа, горњи израз претпоставља н - Случај где су и регион типа и регион п-типа широки. Генерално, за соларне ћелије које користе супстрате п-типа, површина н-типа је веома плитка и горњи израз треба да се модификује.

Раније смо споменули да када се соларна ћелија осветли, генерише се фотоструја, а фотоструја је струја затвореног кола у односу струја-напон соларне ћелије. Овде ћемо укратко описати порекло фотострује. Брзина генерисања носилаца у јединици запремине по јединици времена (јединица м -3 с -1 ) одређена је коефицијентом апсорпције светлости, тј.

Међу њима, α представља коефицијент апсорпције светлости, који је интензитет упадних фотона (или густина флукса фотона), а Р се односи на коефицијент рефлексије, тако да представља интензитет упадних фотона који се не рефлектују. Три главна механизма који генеришу фотострују су: дифузиона струја мањинских носилаца електрона у региону п-типа, струја дифузије рупа мањинских носилаца у области н-типа и дрифт електрона и рупа у области просторног наелектрисања. Тренутни. Дакле, фотоструја се може приближно изразити као:

Међу њима, сваки Лн и Лп представљају дужину дифузије електрона у региону п-типа и рупа у области н-типа, и представља ширину региона просторног наелектрисања. Сумирајући ове резултате, добијамо једноставан израз за напон отвореног кола:

где Врцц представља брзину рекомбинације парова електрон-рупа по јединици запремине. Наравно, ово је природан резултат, јер је напон отвореног кола једнак разлици Фермијеве енергије између електрона и рупа у области просторног набоја, а разлика Фермијеве енергије између електрона и рупа је одређена брзином генерисања носиоца и брзином рекомбинације .