Jinsi seli za jua zinavyofanya kazi

Seli za jua kunyonya mwanga wa jua ili kuzalisha kazi za betri za kawaida. Lakini tofauti na betri za jadi, voltage ya pato na nguvu ya juu ya pato ya betri za jadi ni fasta, wakati voltage ya pato, sasa, na nguvu za seli za jua zinahusiana na hali ya taa na pointi za uendeshaji za mzigo. Kwa sababu hii, kutumia seli za jua kuzalisha umeme, lazima uelewe uhusiano wa sasa wa voltage na kanuni ya kazi ya seli za jua.

Mwangaza wa mwanga wa jua:

Chanzo cha nishati ya seli za jua ni mwanga wa jua, kwa hivyo ukubwa na wigo wa tukio la jua huamua pato la sasa na la voltage na seli ya jua. Tunajua kwamba kitu kinapowekwa chini ya jua, hupokea mwanga wa jua kwa njia mbili, moja ni jua moja kwa moja, na nyingine ni mwanga wa jua unaoenea baada ya kutawanywa na vitu vingine juu ya uso. Katika hali ya kawaida, mwanga wa tukio la moja kwa moja huchangia takriban 80% ya mwanga unaopokelewa na seli ya jua. Kwa hiyo, mjadala wetu unaofuata pia utazingatia yatokanayo na jua moja kwa moja.

Uzito na wigo wa mwanga wa jua unaweza kuonyeshwa kwa miale ya wigo, ambayo ni nguvu ya mwanga kwa kila urefu wa kitengo kwa kila eneo la kitengo (W/㎡um). Uzito wa mwanga wa jua (W/㎡) ni jumla ya urefu wote wa mawimbi ya mwanga wa wigo. Mwangaza wa wigo wa mwanga wa jua unahusiana na nafasi iliyopimwa na angle ya jua inayohusiana na uso wa dunia. Hii ni kwa sababu mwanga wa jua utafyonzwa na kutawanywa na angahewa kabla ya kufika kwenye uso wa dunia. Sababu mbili za msimamo na pembe kwa ujumla zinawakilishwa na kinachojulikana kama molekuli ya hewa (AM). Kwa mwanga wa jua, AMO inarejelea hali ya anga ya juu wakati jua linawaka moja kwa moja. Ukali wake wa mwanga ni takriban 1353 W/㎡, ambayo ni takriban sawa na chanzo cha mwanga kinachozalishwa na mionzi ya blackbody yenye halijoto ya 5800K. AMI inahusu hali ya juu ya uso wa dunia, wakati jua linaangaza moja kwa moja, mwanga wa mwanga ni kuhusu 925 W/m2. AMI.5 inahusu hali ya juu ya uso wa dunia, wakati jua linatokea kwa pembe ya digrii 45, mwanga wa mwanga ni kuhusu 844 W/m2. AM 1.5 kwa ujumla hutumiwa kuwakilisha wastani wa mwangaza wa jua kwenye uso wa dunia. Mfano wa mzunguko wa seli za jua:

Wakati hakuna mwanga, seli ya jua hufanya kama diode ya makutano ya pn. Uhusiano wa sasa wa voltage ya diode bora inaweza kuonyeshwa kama

Ambapo mimi inawakilisha sasa, V inawakilisha voltage, Is ni kueneza sasa, na VT=KBT/q0, ambapo KB inawakilisha BoItzmann mara kwa mara, q0 ni kitengo chaji chaji, na T ni joto. Kwa joto la kawaida, VT=0.026v. Ikumbukwe kwamba mwelekeo wa sasa wa diode ya Pn hufafanuliwa kutiririka kutoka kwa aina ya P hadi aina ya n kwenye kifaa, na maadili chanya na hasi ya voltage hufafanuliwa kama uwezo wa terminal wa aina ya P. ondoa uwezo wa terminal wa aina ya n. Kwa hiyo, ikiwa ufafanuzi huu unafuatwa, wakati kiini cha jua kinafanya kazi, thamani yake ya voltage ni chanya, thamani yake ya sasa ni hasi, na IV curve iko katika roboduara ya nne. Wasomaji lazima wakumbushwe hapa kwamba kinachojulikana kuwa diode bora inategemea hali nyingi za kimwili, na diodi halisi kwa kawaida zitakuwa na baadhi ya mambo yasiyo ya kawaida ambayo yanaathiri uhusiano wa sasa wa voltage ya kifaa, kama vile kizazi-recombination sasa, hapa Tutaweza. sijadili sana. Wakati seli ya jua inakabiliwa na mwanga, kutakuwa na photocurrent katika diode ya pn. Kwa sababu mwelekeo wa uga wa umeme uliojengewa ndani wa makutano ya pn ni kutoka aina ya n hadi aina ya p, jozi za mashimo ya elektroni zinazotokana na ufyonzwaji wa fotoni zitakimbia kuelekea mwisho wa aina ya n, huku mashimo yakielekea p. -aina mwisho. Mkondo wa picha unaoundwa na hizo mbili utatiririka kutoka aina ya n hadi aina ya p. Kwa ujumla, mwelekeo wa mbele wa diode hufafanuliwa kama inapita kutoka kwa aina ya p hadi aina ya n. Kwa njia hii, ikilinganishwa na diode bora, photocurrent inayozalishwa na seli ya jua wakati inaangazwa ni sasa hasi. Uhusiano wa sasa wa voltage ya seli ya jua ni diode bora pamoja na IL hasi ya picha, ambayo ukubwa wake ni:

Kwa maneno mengine, wakati hakuna mwanga, IL = 0, kiini cha jua ni diode ya kawaida tu. Wakati seli ya jua ina mzunguko mfupi, yaani, V=0, sasa ya mzunguko mfupi ni Isc=-IL. Hiyo ni kusema, wakati seli ya jua ni ya mzunguko mfupi, sasa ya mzunguko mfupi ni photocurrent inayotokana na mwanga wa tukio. Ikiwa kiini cha jua ni mzunguko wazi, yaani, ikiwa I = 0, voltage yake ya mzunguko wazi ni:

Kielelezo 2. Mzunguko sawa wa seli ya jua: (a) bila, (b) na mfululizo na vipinga vya shunt. Inapaswa kusisitizwa hapa kwamba voltage ya mzunguko wa wazi na sasa ya mzunguko mfupi ni vigezo viwili muhimu vya sifa za seli za jua.

Pato la nguvu la seli ya jua ni bidhaa ya sasa na voltage:

Kwa wazi, pato la nguvu na seli ya jua sio thamani isiyobadilika. Inafikia thamani ya juu katika hatua fulani ya uendeshaji ya voltage ya sasa, na nguvu ya juu ya pato Pmax inaweza kuamua na dp/dv=0. Tunaweza kuamua kuwa voltage ya pato kwa nguvu ya juu ya pato Pmax ni:

na matokeo ya sasa ni:

Nguvu ya juu ya pato ya seli ya jua ni:

Ufanisi wa seli ya jua inarejelea uwiano wa seli ya jua inayobadilisha Pini ya nguvu ya mwanga wa tukio kuwa nguvu ya juu ya pato la umeme, ambayo ni:

Vipimo vya jumla vya ufanisi wa seli za jua hutumia chanzo cha mwanga sawa na mwanga wa jua chenye pin=1000W/㎡.

Kwa majaribio, uhusiano wa sasa wa voltage ya seli za jua haufuati kabisa maelezo ya kinadharia hapo juu. Hii ni kwa sababu kifaa cha photovoltaic yenyewe ina kinachojulikana upinzani wa mfululizo na upinzani wa shunt. Kwa nyenzo yoyote ya semiconductor, au mawasiliano kati ya semiconductor na chuma, bila shaka kutakuwa na upinzani mkubwa au mdogo, ambao utaunda upinzani wa mfululizo wa kifaa cha photovoltaic. Kwa upande mwingine, njia yoyote ya sasa isipokuwa diode bora ya Pn kati ya elektrodi chanya na hasi ya kifaa cha photovoltaic itasababisha kinachojulikana kama sasa ya kuvuja, kama vile sasa ya kuunganisha kizazi kwenye kifaa. , sasa ya uunganisho wa uso, kutokamilika kwa ukingo wa kifaa, na makutano ya kupenya ya mguso wa chuma.

Kwa kawaida, sisi hutumia upinzani wa shunt kufafanua mkondo wa kuvuja wa seli za jua, yaani, Rsh=V/Ileak. Upinzani mkubwa wa shunt ni, ndogo ya sasa ya kuvuja ni. Ikiwa tutazingatia upinzani wa pamoja Rs na upinzani wa shunt Rsh, uhusiano wa sasa wa voltage ya seli ya jua unaweza kuandikwa kama:

Tunaweza pia kutumia parameta moja tu, kinachojulikana kama sababu ya kujaza, kwa muhtasari wa athari za upinzani wa mfululizo na upinzani wa shunt. hufafanuliwa kama:

Ni dhahiri kwamba kipengele cha kujaza ni cha juu ikiwa hakuna kupinga mfululizo na upinzani wa shunt hauna mwisho (hakuna uvujaji wa sasa). Ongezeko lolote la upinzani wa mfululizo au kupungua kwa upinzani wa shunt itapunguza sababu ya kujaza. Kwa njia hii,. Ufanisi wa seli za jua unaweza kuonyeshwa na vigezo vitatu muhimu: voltage ya mzunguko wazi Voc, mzunguko mfupi wa sasa wa Isc, na kipengele cha kujaza FF.

Kwa wazi, ili kuboresha ufanisi wa kiini cha jua, ni muhimu kuongeza wakati huo huo voltage yake ya wazi ya mzunguko, mzunguko mfupi wa sasa (yaani, photocurrent), na sababu ya kujaza (ambayo ni, kupunguza upinzani wa mfululizo na kuvuja kwa sasa).

Fungua voltage ya mzunguko na mzunguko mfupi wa sasa: Kwa kuzingatia formula iliyopita, voltage ya mzunguko wa wazi wa seli ya jua imedhamiriwa na photocurrent na seli iliyojaa. Kutoka kwa mtazamo wa fizikia ya semiconductor, voltage ya mzunguko wa wazi ni sawa na tofauti ya nishati ya Fermi kati ya elektroni na mashimo katika eneo la malipo ya nafasi. Kama ilivyo kwa sasa ya kueneza ya diode bora ya Pn, unaweza kutumia:

kujieleza. ambapo q0 inawakilisha malipo ya kitengo, ni inawakilisha mkusanyiko wa mbebaji wa ndani wa semicondukta, ND na NA kila moja inawakilisha mkusanyiko wa mtoaji na mpokeaji, Dn na Dp kila moja inawakilisha mgawo wa usambaaji wa elektroni na mashimo, usemi ulio hapo juu ni kudhani n. - Kisa ambapo aina ya eneo na eneo la aina ya p zote ni pana. Kwa ujumla, kwa seli za jua zinazotumia substrates za aina ya p, eneo la aina ya n ni duni sana, na usemi ulio hapo juu unahitaji kurekebishwa.

Tulitaja hapo awali kwamba wakati seli ya jua inapoangazwa, photocurrent inazalishwa, na photocurrent ni sasa ya mzunguko wa kufungwa katika uhusiano wa sasa wa voltage ya seli ya jua. Hapa tutaelezea kwa ufupi asili ya photocurrent. Kiwango cha uzalishaji wa wabebaji katika ujazo wa kitengo kwa wakati wa kitengo (kitengo cha m -3 s -1 ) imedhamiriwa na mgawo wa kunyonya mwanga, ambayo ni.

Miongoni mwazo, α inawakilisha mgawo wa ufyonzaji mwanga, ambao ni ukubwa wa fotoni za tukio (au msongamano wa fotoni), na R inarejelea mgawo wa uakisi, kwa hivyo inawakilisha ukubwa wa fotoni za tukio ambazo haziakisi. Taratibu kuu tatu zinazozalisha msururu wa picha ni: mkondo wa uenezaji wa elektroni za wabebaji wachache katika eneo la aina ya p, mkondo wa usambaaji wa mashimo ya wabebaji wachache katika eneo la aina ya n, na kupeperushwa kwa elektroni na mashimo katika eneo la malipo ya nafasi. sasa. Kwa hivyo, photocurrent inaweza kuonyeshwa takriban kama:

Miongoni mwao, Ln na Lp kila moja inawakilisha urefu wa uenezi wa elektroni katika eneo la aina ya p na mashimo katika eneo la aina ya n, na ni upana wa eneo la malipo ya nafasi. Kwa muhtasari wa matokeo haya, tunapata usemi rahisi wa voltage ya mzunguko wazi:

ambapo Vrcc inawakilisha kiwango cha muunganisho wa jozi za mashimo ya elektroni kwa ujazo wa kitengo. Bila shaka, hii ni matokeo ya asili, kwa sababu voltage ya mzunguko wa wazi ni sawa na tofauti ya nishati ya Fermi kati ya elektroni na mashimo katika eneo la malipo ya nafasi, na tofauti ya nishati ya Fermi kati ya elektroni na mashimo imedhamiriwa na kiwango cha kizazi cha carrier na kiwango cha recombination. .