Hur solceller fungerar

Solceller absorbera solljus för att producera funktionerna hos vanliga batterier. Men till skillnad från traditionella batterier är utspänningen och maximal uteffekt från traditionella batterier fasta, medan utspänningen, strömmen och effekten från solceller är relaterade till ljusförhållanden och belastningsdriftpunkter. På grund av detta, för att använda solceller för att generera elektricitet, måste du förstå ström-spänningsförhållandet och arbetsprincipen för solceller.

Spektral belysning av solljus:

Solcellernas energikälla är solljus, så intensiteten och spektrumet av infallande solljus bestämmer strömmen och spänningen från solcellen. Vi vet att när ett föremål placeras under solen får det solljus på två sätt, det ena är direkt solljus och det andra är diffust solljus efter att ha spridits av andra föremål på ytan. Under normala omständigheter står direkt infallande ljus för cirka 80 % av det ljus som tas emot av en solcell. Därför kommer vår följande diskussion också att fokusera på direkt exponering för solljus.

Solljusets intensitet och spektrum kan uttryckas med spektrumbestrålning, vilket är ljusstyrkan per våglängdsenhet per ytenhet (W/㎡um). Solljusets intensitet (W/㎡) är summan av alla våglängder av spektrumbelysning. Spektrumbelysningen av solljus är relaterad till den uppmätta positionen och solens vinkel i förhållande till jordens yta. Detta beror på att solljuset kommer att absorberas och sprids av atmosfären innan det når jordytan. De två faktorerna position och vinkel representeras i allmänhet av den så kallade luftmassan (AM). För solbelysning avser AMO situationen i yttre rymden när solen direkt skiner. Dess ljusintensitet är ungefär 1353 W/㎡, vilket ungefär motsvarar ljuskällan som produceras av svartkroppsstrålning med en temperatur på 5800K. AMI avser situationen på jordens yta, när solen skiner direkt är ljusintensiteten cirka 925 W/m2. AMI.5 avser situationen på jordens yta, när solen faller in i en vinkel på 45 grader är ljusintensiteten cirka 844 W/m2. AM 1,5 används vanligtvis för att representera den genomsnittliga belysningen av solljus på jordens yta. Solcellskretsmodell:

När det inte finns något ljus beter sig en solcell som en pn-övergångsdiod. Ström-spänningsförhållandet för en ideal diod kan uttryckas som

Där I representerar strömmen, V representerar spänningen, Is är mättnadsströmmen och VT=KBT/q0, där KB representerar BoItzmann-konstanten, q0 är enhetens elektriska laddning och T är temperaturen. Vid rumstemperatur, VT=0,026v. Det bör noteras att riktningen för Pn-diodströmmen är definierad för att flyta från P-typ till n-typ i enheten, och de positiva och negativa värdena för spänningen definieras som P-typs terminalpotential minus terminalpotentialen av n-typ. Därför, om denna definition följs, när solcellen arbetar, är dess spänningsvärde positivt, dess nuvarande värde är negativt och IV-kurvan är i fjärde kvadranten. Läsare måste här påminnas om att den så kallade idealdioden är baserad på många fysiska förhållanden, och faktiska dioder kommer naturligtvis att ha några icke-ideala faktorer som påverkar enhetens ström-spänningsförhållande, såsom generations-rekombinationsström, här kommer vi' inte diskutera det mycket. När solcellen utsätts för ljus blir det fotoström i pn-dioden. Eftersom den inbyggda elektriska fältriktningen för pn-övergången är från n-typ till p-typ, kommer elektron-hålsparen som genereras av absorptionen av fotoner att löpa mot n-typens ände, medan hålen kommer att löpa mot p -typ slut. Den fotoström som bildas av de två kommer att flyta från n-typ till p-typ. Generellt definieras den framåtriktade strömriktningen för en diod som att den flyter från p-typ till n-typ. På detta sätt, jämfört med en ideal diod, är fotoströmmen som genereras av en solcell när den är upplyst en negativ ström. Ström-spänningsförhållandet för solcellen är den ideala dioden plus en negativ fotoström IL, vars storlek är:

Med andra ord, när det inte finns något ljus, IL=0, är ​​solcellen bara en vanlig diod. När solcellen är kortsluten, det vill säga V=0, är ​​kortslutningsströmmen Isc=-IL. Det vill säga när solcellen är kortsluten är kortslutningsströmmen den fotoström som genereras av infallande ljus. Om solcellen är öppen krets, det vill säga om I=0, är ​​dess öppen kretsspänning:

Figur 2. Likvärdig krets av solcell: (a) utan, (b) med serie- och shuntmotstånd. Det måste här betonas att öppen kretsspänning och kortslutningsström är två viktiga parametrar för solcellsegenskaper.

Effekten från en solcell är produkten av ström och spänning:

Uppenbarligen är effekten från solcellen inte ett fast värde. Den når maxvärdet vid en viss strömspänningsdriftpunkt, och den maximala uteffekten Pmax kan bestämmas av dp/dv=0. Vi kan härleda att utspänningen vid maximal uteffekt Pmax är:

och utströmmen är:

Solcellens maximala uteffekt är:

Effektiviteten hos en solcell hänvisar till förhållandet mellan solcellen som omvandlar kraftstiftet för det infallande ljuset till den maximala utgående elektriska effekten, det vill säga:

Allmänna mätningar av solcellseffektivitet använder en ljuskälla som liknar solljus med pin=1000W/㎡.

Experimentellt följer inte solcellers ström-spänningsförhållande helt ovanstående teoretiska beskrivning. Det beror på att själva solcellsapparaten har så kallat serieresistans och shuntmotstånd. För vilket halvledarmaterial som helst, eller kontakten mellan en halvledare och en metall, kommer det oundvikligen att finnas ett större eller mindre motstånd, vilket kommer att bilda serieresistansen för den fotovoltaiska enheten. Å andra sidan kommer vilken strömväg som helst förutom den ideala Pn-dioden mellan de positiva och negativa elektroderna på den fotovoltaiska enheten att orsaka den så kallade läckströmmen, såsom genererings-rekombinationsströmmen i enheten. , ytrekombinationsström, ofullständig kantisolering av enheten och metallkontaktpenetrationsövergång.

Vanligtvis använder vi shuntresistans för att definiera solcellers läckström, det vill säga Rsh=V/Ileak. Ju större shuntmotståndet är, desto mindre är läckströmmen. Om vi ​​betraktar ledresistansen Rs och shuntresistansen Rsh, kan solcellens ström-spänningsförhållande skrivas som:

Vi kan också använda endast en parameter, den så kallade fyllningsfaktorn, för att sammanfatta både effekterna av serieresistans och shuntmotstånd. definierad som:

Det är uppenbart att fyllningsfaktorn är maximal om det inte finns något seriemotstånd och shuntresistansen är oändlig (ingen läckström). Varje ökning av serieresistans eller minskning av shuntmotstånd kommer att minska fyllningsfaktorn. På det här sättet,. Effektiviteten hos solceller kan uttryckas med tre viktiga parametrar: öppen kretsspänning Voc, kortslutningsström Isc och fyllningsfaktor FF.

Uppenbarligen, för att förbättra effektiviteten hos en solcell, är det nödvändigt att samtidigt öka dess öppen kretsspänning, kortslutningsström (det vill säga fotoström) och fyllningsfaktor (det vill säga minska serieresistans och läckström).

Öppen kretsspänning och kortslutningsström: Att döma av föregående formel bestäms solcellens öppen kretsspänning av fotoströmmen och den mättade cellen. Ur halvledarfysikens perspektiv är den öppna kretsspänningen lika med Fermi-energiskillnaden mellan elektroner och hål i rymdladdningsområdet. När det gäller mättnadsströmmen för en idealisk Pn-diod kan du använda:

att uttrycka. där q0 representerar enhetsladdningen, ni representerar den inneboende bärarkoncentrationen för halvledaren, ND och NA representerar vardera koncentrationen av donatorn och acceptorn, Dn och Dp representerar vardera diffusionskoefficienten för elektroner och hål, uttrycket ovan antar n - Fallet där både typregionen och p-typregionen båda är breda. I allmänhet, för solceller som använder p-typ substrat, är n-typ området mycket grunt, och ovanstående uttryck måste modifieras.

Vi nämnde tidigare att när en solcell är upplyst genereras en fotoström, och fotoströmmen är den slutna kretsströmmen i solcellens ström-spänningsförhållande. Här kommer vi kort att beskriva ursprunget till fotoströmmen. Genereringshastigheten för bärare i volymenhet per tidsenhet (enhet m -3 s -1 ) bestäms av ljusabsorptionskoefficienten, dvs.

Bland dem representerar α ljusabsorptionskoefficienten, vilket är intensiteten av infallande fotoner (eller fotonflödestäthet), och R hänvisar till reflektionskoefficienten, så det representerar intensiteten av infallande fotoner som inte reflekteras. De tre huvudmekanismerna som genererar fotoström är: diffusionsströmmen för minoritetsbärarelektroner i p-typområdet, diffusionsströmmen för minoritetsbärarhål i n-typsområdet, och driften av elektroner och hål i rymdladdningsområdet. nuvarande. Därför kan fotoströmmen ungefärligen uttryckas som:

Bland dem representerar Ln och Lp vardera diffusionslängden för elektroner i p-typområdet och hål i n-typområdet, och är bredden på rymdladdningsområdet. Genom att sammanfatta dessa resultat får vi ett enkelt uttryck för öppen kretsspänning:

där Vrcc representerar rekombinationshastigheten för elektron-hålpar per volymenhet. Naturligtvis är detta ett naturligt resultat, eftersom den öppna kretsspänningen är lika med Fermi-energiskillnaden mellan elektroner och hål i rymdladdningsområdet, och Fermi-energiskillnaden mellan elektroner och hål bestäms av bärargenereringshastigheten och rekombinationshastigheten .