Чӣ тавр ҳуҷайраҳои офтобӣ кор мекунанд

Ҳуҷайраҳои офтобӣ нури офтобро бирӯяд, то вазифаҳои батареяҳои оддиро ба вуҷуд оранд. Аммо бар хилофи батареяҳои анъанавӣ, шиддати баромад ва қувваи максималии баромади батареяҳои анъанавӣ собит аст, дар ҳоле ки шиддати баромад, ҷараён ва қудрати ҳуҷайраҳои офтобӣ ба шароити рӯшноӣ ва нуқтаҳои кори сарборӣ алоқаманд аст. Аз ин рӯ, барои истифодаи ҳуҷайраҳои офтобӣ барои тавлиди нерӯи барқ, шумо бояд муносибати ҷории шиддат ва принсипи кори ҳуҷайраҳои офтобиро фаҳмед.

Равшании спектрии нури офтоб:

Манбаи энергияи ҳуҷайраҳои офтобӣ нури офтоб аст, бинобар ин шиддат ва спектри нури офтобӣ ҳосили ҷараён ва шиддатро аз ҳуҷайраи офтобӣ муайян мекунад. Мо медонем, ки хангоми дар зери офтоб гузоштани чисм нури офтобро бо ду рох кабул мекунад, яке нури бевоситаи офтоб ва дигаре нури офтоби пароканда пас аз пароканда шудани чисмхои дигар дар сатхи он. Дар шароити муқаррарӣ, нури мустақим тақрибан 80% нури аз ҳуҷайраи офтобӣ гирифташударо ташкил медиҳад. Аз ин рӯ, муҳокимаи минбаъдаи мо инчунин ба таъсири бевоситаи нури офтоб равона карда мешавад.

Шиддат ва спектри нури офтобро метавон бо шуоъдиҳии спектр ифода кард, ки қувваи рӯшноӣ барои як воҳиди мавҷ ба як воҳид (Вт/㎡ум) мебошад. Шиддати нури офтоб (W/㎡) ҷамъи тамоми дарозии мавҷҳои равшании спектр мебошад. Равшании спектри нури офтоб ба мавқеъи ченшуда ва кунҷи офтоб нисбат ба сатҳи замин алоқаманд аст. Ин аст, ки нури офтоб пеш аз расидан ба сатҳи замин аз ҷониби атмосфера ҷаббида ва пароканда мешавад. Ду омили мавқеъ ва кунҷ одатан бо номи массаи ҳаво (AM) ифода карда мешаванд. Барои равшании офтобӣ, AMO ба вазъият дар фазои кайҳон, вақте ки офтоб мустақиман медурахшад, ишора мекунад. Шиддати рӯшноии он тақрибан 1353 Вт/㎡ аст, ки тақрибан ба манбаи рӯшноие, ки аз радиатсияи ҷисмҳои сиёҳ бо ҳарорати 5800К тавлид мешавад, баробар аст. AMI ба вазъият дар сатҳи замин ишора мекунад, вақте ки офтоб мустақиман медурахшад, шиддатнокии рӯшноӣ тақрибан 925 Вт/м2 аст. AMI.5 вазъияти сатхи заминро дар назар дорад, ки хангоми ба кунчи 45 дарача расидани офтоб шиддати нур такрибан 844 Вт/м2 мебошад. AM 1.5 одатан барои ифода кардани равшании миёнаи нури офтоб дар сатҳи замин истифода мешавад. Модели схемаи ҳуҷайраи офтобӣ:

Вақте ки рӯшноӣ вуҷуд надорад, ҳуҷайраи офтобӣ мисли диодҳои пайвасткунандаи pn рафтор мекунад. Муносибати ҷараён бо шиддати диодҳои идеалиро метавон чунин ифода кард

Дар он ҷое, ки I ҷараёнро ифода мекунад, V шиддатро ифода мекунад, Is - ҷараёни сершавӣ ва VT=KBT/q0, ки KB доимии БоИцманро ифода мекунад, q0 заряди воҳиди электрикӣ ва T ҳарорат аст. Дар ҳарорати хонагӣ, VT = 0,026v. Бояд қайд кард, ки самти ҷараёни диоди Pn барои аз намуди P ба намуди n дар дастгоҳ ҷараён доштан муайян карда мешавад ва арзишҳои мусбат ва манфии шиддат ҳамчун потенсиали терминали навъи P муайян карда мешаванд. минуси потенсиали терминали навъи n. Аз ин рӯ, агар ин таъриф риоя карда шавад, вақте ки батареяи офтобӣ кор мекунад, арзиши шиддати он мусбат, арзиши ҷорӣ манфӣ аст ва каҷи IV дар чорчӯбаи чорум ҷойгир аст. Хонандагон бояд дар ин ҷо хотиррасон кунанд, ки диодҳои идеалӣ ба бисёр шароитҳои физикӣ асос ёфтаанд ва диодҳои воқеӣ табиатан дорои баъзе омилҳои ғайримуқаррарӣ мебошанд, ки ба муносибати ҷараён ва шиддати дастгоҳ таъсир мерасонанд, ба монанди ҷараёни насл-рекомбинатсия, дар ин ҷо мо ғолиб мешавем. онро зиёд муҳокима накунед. Вақте ки ҳуҷайраи офтобӣ ба рӯшноӣ дучор мешавад, дар диод pn фотоҷараён пайдо мешавад. Азбаски самти дарунсохташудаи майдони электрикии гузариши pn аз намуди n ба намуди p аст, ҷуфтҳои сӯрохиҳои электронӣ, ки дар натиҷаи азхудкунии фотонҳо ба вуҷуд омадаанд, ба тарафи охири намуди n, дар ҳоле ки сӯрохиҳо ба тарафи p ҳаракат мекунанд. - навъи охири. Фотоҷараёни аз ин ду ба вуҷуд омада аз намуди n ба намуди p мегузарад. Умуман, самти ҷараёни пешбарии диод ҳамчун ҷараён аз намуди p ба навъи n муайян карда мешавад. Бо ин роҳ, дар муқоиса бо диод идеалӣ, фотоҷараёне, ки ҳуҷайраи офтобӣ ҳангоми равшанӣ ба вуҷуд меорад, ҷараёни манфӣ аст. Муносибати ҷараён бо шиддати ҳуҷайраи офтобӣ диоди идеалӣ бо иловаи IL фотоҷараёни манфӣ мебошад, ки бузургии он:

Ба ибораи дигар, вақте ки нур нест, IL=0, ҳуҷайраи офтобӣ танҳо як диоди оддӣ аст. Дар ваќти раќобати кутоњзании батареяи офтобї, яъне V=0, љараёни кутоњнасимї Isc=-IL аст. Яъне, вақте ки ҳуҷайраи офтобӣ ноқилҳои кӯтоҳ аст, ҷараёни кӯтоҳи барқ ​​​​ҷараёнест, ки аз нури афтанда тавлид мешавад. Агар ҳуҷайраи офтобӣ занҷири кушода бошад, яъне агар I=0, шиддати занҷири кушоди он чунин аст:

Расми 2. Схемаи эквивалентии батареяи офтобӣ: (а) бе, (б) бо муқовиматҳои силсилавӣ ва шунтӣ. Дар ин ҷо бояд таъкид кард, ки шиддати ноқилҳои кушода ва ҷараёни кӯтоҳ ду параметри муҳими хусусиятҳои ҳуҷайраи офтобӣ мебошанд.

Истеҳсоли нерӯи батареяи офтобӣ ҳосили ҷараён ва шиддат аст:

Аён аст, ки қувваи барқ ​​аз ҷониби ҳуҷайраи офтобӣ арзиши собит нест. Он дар як нуқтаи кории муайяни шиддати ҷорӣ ба арзиши максималӣ мерасад ва қувваи максималии баромади Pmax метавонад бо dp/dv=0 муайян карда шавад. Мо метавонем хулоса барорем, ки шиддати баромад дар қувваи максималии баромади Pmax ин аст:

ва ҷараёни баромад ин аст:

Иқтидори максималии баромади ҳуҷайраи офтобӣ ин аст:

Самаранокии батареяи офтобӣ ба таносуби ҳуҷайраи офтобӣ дахл дорад, ки PIN-и нури афтандаро ба қувваи барқи максималии баромад табдил медиҳад, яъне:

Андозагирии умумии самаранокии ҳуҷайраҳои офтобӣ манбаи нури шабеҳи нури офтобро бо pin=1000W/㎡ истифода мебаранд.

Таҷрибавӣ, муносибати ҷорӣ ва шиддати ҳуҷайраҳои офтобӣ ба тавсифи назариявии дар боло овардашуда комилан мувофиқат намекунад. Сабаб дар он аст, ки худи дастгоҳи фотоэлектрикӣ муқовимати силсилавӣ ва муқовимати шунт дорад. Барои ҳама гуна маводи нимноқил ё алоқаи байни нимноқил ва металл, ногузир муқовимати камтар ё калон вуҷуд дорад, ки муқовимати силсилавии дастгоҳи фотоэлектрикро ташкил медиҳад. Аз тарафи дигар, ҳама гуна роҳи ҷорӣ ба ғайр аз диоди идеалии Pn байни электродҳои мусбат ва манфии дастгоҳи фотоэлектрикӣ боиси ба истилоҳ ҷараёни ихроҷ, ба монанди ҷараёни тавлиди рекомбинатсия дар дастгоҳ мегардад. , ҷараёни рекомбинатсияи рӯизаминӣ, изолятсияи канори нопурраи дастгоҳ ва пайванди воридшавии металл.

Одатан, мо муқовимати шунтро барои муайян кардани ҷараёни ихроҷи ҳуҷайраҳои офтобӣ истифода мебарем, яъне Rsh=V/Ileak. Чӣ қадаре ки муқовимати шунт калон бошад, ҷараёни ихроҷ ҳамон қадар хурдтар аст. Агар муқовимати муштараки Rs ва муқовимати шунтӣ Rsh-ро ба назар гирем, муносибати ҷорӣ бо шиддати ҳуҷайраи офтобиро чунин навиштан мумкин аст:

Мо инчунин метавонем танҳо як параметр, ба ном омили пуркунӣ, барои ҷамъбасти ҳам таъсири муқовимати силсила ва муқовимати шунт истифода барем. муайян карда мешавад:

Равшан аст, ки омили пуркунӣ ҳадди аксар аст, агар муқовимати силсилавӣ вуҷуд надошта бошад ва муқовимати шунт беохир бошад (ҷараёни ихроҷ набошад). Ҳама гуна афзоиши муқовимати силсилавӣ ё коҳиши муқовимати шунт омили пурро коҳиш медиҳад. Ба ин роҳ,. Самаранокии ҳуҷайраҳои офтобиро бо се параметри муҳим ифода кардан мумкин аст: шиддати занҷири кушодаи Voc, ҷараёни ноқилҳои кӯтоҳ Isc ва омили пуркунии FF.

Равшан аст, ки барои баланд бардоштани самаранокии батареяи офтобӣ дар як вақт шиддати занҷири кушодаи он, ҷараёни ноқилҳои кӯтоҳ (яъне фотоҷараён) ва омили пуркунӣ (яъне муқовимати силсилавӣ ва ҷараёни ихроҷро кам кардан) лозим аст.

Шиддати занҷири кушода ва ҷараёни кӯтоҳи ноқил: Аз рӯи формулаи қаблӣ, шиддати занҷири кушодаи ҳуҷайраи офтобӣ аз ҷониби фотоҷараён ва ҳуҷайраи сершуда муайян карда мешавад. Аз нуқтаи назари физикаи нимноқилҳо, шиддати занҷири кушод ба фарқияти энергияи Ферми байни электронҳо ва сӯрохиҳо дар минтақаи заряди фазоӣ баробар аст. Дар мавриди ҷараёни сершавии диоди идеалии Pn, шумо метавонед истифода баред:

баён кардан. ки q0 заряди воҳидиро ифода мекунад, ni консентратсияи интиқолдиҳандаи дохилии нимноқилро ифода мекунад, НД ва NA ҳар як консентратсияи донор ва аксепторро ифода мекунанд, Dn ва Dp ҳар кадом коэффисиенти диффузияи электронҳо ва сӯрохиҳоро ифода мекунанд, ифодаи дар боло зикршуда n - Ҳолате, ки ҳам минтақаи тип ва ҳам минтақаи навъи p ҳам васеъ мебошанд. Умуман, барои ҳуҷайраҳои офтобӣ, ки субстратҳои навъи p-ро истифода мебаранд, майдони навъи n хеле суст аст ва ифодаи дар боло зикршуда бояд тағир дода шавад.

Мо пештар гуфта будем, ки хангоми мунаввар кардани ҳуҷайраи офтобӣ фотоҷараён ба вуҷуд меояд ва фотоҷараён ҷараёни пӯшидаи занҷир дар робитаи ҷараён бо шиддати ҳуҷайраи офтобӣ мебошад. Дар ин ҷо мо ба таври мухтасар пайдоиши фотоҷараёнро тавсиф мекунем. Суръати тавлиди интиқолдиҳандагон дар ҳаҷми воҳиди воҳиди вақт (воҳиди м -3 с -1 ) бо коэффисиенти азхудкунии нур муайян карда мешавад, яъне

Дар байни онҳо α коэффисиенти азхудкунии рӯшноиро ифода мекунад, ки шиддатнокии фотонҳои афтанда (ё зичии ҷараёни фотон) мебошад ва R ба коэффисиенти инъикос дахл дорад, бинобарин он шиддатнокии фотонҳои ҳодисшударо, ки инъикос намеёбанд, ифода мекунад. Се механизми асосие, ки фотоҷараёнро тавлид мекунанд, инҳоянд: ҷараёни диффузияи электронҳои интиқолдиҳандаи ақаллиятҳо дар минтақаи навъи p, ҷараёни диффузияи сӯрохиҳои интиқолдиҳандаи ақаллиятҳо дар минтақаи навъи n ва драйфти электронҳо ва сӯрохиҳо дар минтақаи заряди фазоӣ. ҷорӣ. Аз ин рӯ, фотоҷараёнро тахминан чунин ифода кардан мумкин аст:

Дар байни онҳо, Ln ва Lp ҳар як дарозии паҳншавии электронҳоро дар минтақаи навъи p ва сӯрохиҳоро дар минтақаи навъи n ифода мекунанд ва паҳнои минтақаи заряди фазоӣ мебошанд. Ҷамъбасти ин натиҷаҳо, мо ифодаи оддии шиддати занҷири кушода мегирем:

ки дар он Vrcc суръати рекомбинатсияи ҷуфтҳои сӯрохиҳои электрониро дар як воҳиди ҳаҷм ифода мекунад. Албатта, ин натиҷаи табиист, зеро шиддати занҷири кушода ба фарқияти энергияи Ферми байни электронҳо ва сӯрохиҳо дар минтақаи заряди фазоӣ баробар аст ва фарқияти энергияи Ферми байни электронҳо ва сӯрохиҳо бо суръати тавлиди интиқолдиҳанда ва суръати рекомбинатсия муайян карда мешавад. .