เซลล์แสงอาทิตย์ทำงานอย่างไร

พลังงานแสงอาทิตย์ ดูดซับแสงแดดเพื่อผลิตฟังก์ชั่นของแบตเตอรี่ธรรมดา แต่ต่างจากแบตเตอรี่ทั่วไปตรงที่แรงดันไฟเอาท์พุตและกำลังไฟเอาท์พุตสูงสุดของแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมนั้นได้รับการแก้ไข ในขณะที่แรงดันไฟเอาท์พุต กระแสไฟฟ้า และพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์นั้นสัมพันธ์กับสภาพแสงและจุดปฏิบัติการของโหลด ด้วยเหตุนี้ การใช้เซลล์แสงอาทิตย์เพื่อผลิตกระแสไฟฟ้า คุณต้องเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและหลักการทำงานของเซลล์แสงอาทิตย์

การส่องสว่างสเปกตรัมของแสงแดด:

แหล่งพลังงานของเซลล์แสงอาทิตย์คือแสงแดด ดังนั้นความเข้มและสเปกตรัมของแสงแดดที่ตกกระทบจะเป็นตัวกำหนดกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้าที่ส่งออกโดยเซลล์แสงอาทิตย์ เรารู้ว่าเมื่อวัตถุวางอยู่ใต้ดวงอาทิตย์ วัตถุนั้นจะได้รับแสงแดดในสองวิธี วิธีหนึ่งคือแสงแดดโดยตรง และอีกวิธีคือกระจายแสงแดดหลังจากที่วัตถุอื่นบนพื้นผิวกระจัดกระจาย ภายใต้สถานการณ์ปกติ แสงตกกระทบโดยตรงคิดเป็นประมาณ 80% ของแสงที่ได้รับจากเซลล์แสงอาทิตย์ ดังนั้น การสนทนาต่อไปนี้ของเราจะเน้นไปที่การสัมผัสแสงแดดโดยตรงด้วย

ความเข้มและสเปกตรัมของแสงอาทิตย์สามารถแสดงได้โดยการแผ่รังสีสเปกตรัม ซึ่งก็คือพลังงานแสงต่อหน่วยความยาวคลื่นต่อหน่วยพื้นที่ (W/µum) ความเข้มของแสงอาทิตย์ (W/ตารางเมตร) คือผลรวมของความยาวคลื่นทั้งหมดของสเปกตรัมการส่องสว่าง สเปกตรัมการส่องสว่างของแสงอาทิตย์สัมพันธ์กับตำแหน่งที่วัดได้และมุมของดวงอาทิตย์ที่สัมพันธ์กับพื้นผิวโลก เนื่องจากแสงแดดจะถูกดูดซับและกระจายไปตามชั้นบรรยากาศก่อนจะตกถึงพื้นผิวโลก โดยทั่วไปปัจจัยทั้งสองของตำแหน่งและมุมจะแสดงด้วยสิ่งที่เรียกว่ามวลอากาศ (AM) สำหรับการส่องสว่างด้วยแสงอาทิตย์ AMO หมายถึงสถานการณ์ในอวกาศเมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสงโดยตรง ความเข้มของแสงอยู่ที่ประมาณ 1,353 วัตต์/ตร.ม. ซึ่งเทียบเท่ากับแหล่งกำเนิดแสงที่เกิดจากรังสีวัตถุดำโดยประมาณซึ่งมีอุณหภูมิ 5800K AMI หมายถึงสถานการณ์บนพื้นผิวโลก เมื่อดวงอาทิตย์ส่องแสงโดยตรง ความเข้มของแสงจะอยู่ที่ประมาณ 925 W/m2 AMI.5 หมายถึง สถานการณ์บนพื้นผิวโลก เมื่อดวงอาทิตย์ตกกระทบที่มุม 45 องศา ความเข้มของแสงจะอยู่ที่ประมาณ 844 W/m2 โดยทั่วไปแล้ว AM 1.5 ใช้เพื่อแสดงถึงแสงสว่างโดยเฉลี่ยของแสงแดดบนพื้นผิวโลก รูปแบบวงจรโซล่าเซลล์:

เมื่อไม่มีแสงสว่าง เซลล์แสงอาทิตย์จะทำงานเหมือนกับไดโอดแยก pn ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกระแสไฟของไดโอดในอุดมคติสามารถแสดงได้เป็น

โดยที่ I แทนกระแส V แทนแรงดันไฟฟ้า Is คือกระแสอิ่มตัว และ VT=KBT/q0 โดยที่ KB แทนค่าคงที่ BoItzmann q0 คือหน่วยประจุไฟฟ้า และ T คืออุณหภูมิ ที่อุณหภูมิห้อง VT=0.026v ควรสังเกตว่าทิศทางของกระแสไดโอด Pn ถูกกำหนดให้ไหลจากชนิด P ถึงชนิด n ในอุปกรณ์ และค่าบวกและลบของแรงดันไฟฟ้าถูกกำหนดให้เป็นศักย์ขั้วต่อชนิด P ลบศักย์ไฟฟ้าของขั้วต่อชนิด n ดังนั้น หากปฏิบัติตามคำจำกัดความนี้ เมื่อเซลล์แสงอาทิตย์ทำงาน ค่าแรงดันไฟฟ้าจะเป็นบวก ค่าปัจจุบันจะเป็นลบ และเส้นโค้ง IV อยู่ในจตุภาคที่สี่ ผู้อ่านต้องได้รับการเตือนในที่นี้ว่าสิ่งที่เรียกว่าไดโอดในอุดมคตินั้นขึ้นอยู่กับสภาพทางกายภาพหลายประการ และไดโอดจริงจะมีปัจจัยที่ไม่ใช่อุดมคติบางประการตามธรรมชาติที่ส่งผลต่อความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าของอุปกรณ์ เช่น การสร้างกระแสไฟฟ้า-การรวมตัวกันใหม่ ในที่นี้เราจะ' ไม่ได้พูดคุยเรื่องนี้มากนัก เมื่อเซลล์แสงอาทิตย์โดนแสง จะมีโฟโตปัจจุบันในไดโอด pn เนื่องจากทิศทางของสนามไฟฟ้าในตัวของรอยต่อ pn มีตั้งแต่ประเภท n ถึงประเภท p คู่อิเล็กตรอนของรูที่เกิดจากการดูดกลืนโฟตอนจะวิ่งไปทางปลายประเภท n ในขณะที่รูจะวิ่งไปทาง p -ประเภทสิ้นสุด โฟโตกระแสที่เกิดจากทั้งสองจะไหลจาก n-type ไปยัง p-type โดยทั่วไป ทิศทางกระแสไปข้างหน้าของไดโอดถูกกำหนดให้เป็นการไหลจากชนิด p ถึงชนิด n ด้วยวิธีนี้ เมื่อเปรียบเทียบกับไดโอดในอุดมคติ กระแสโฟโตปัจจุบันที่สร้างขึ้นโดยเซลล์แสงอาทิตย์เมื่อมีแสงสว่างจะเป็นกระแสลบ ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์คือไดโอดในอุดมคติบวกกับโฟโตปัจจุบัน IL เป็นลบ ซึ่งมีขนาดเป็น:

กล่าวอีกนัยหนึ่งเมื่อไม่มีแสง IL=0 เซลล์แสงอาทิตย์ก็เป็นเพียงไดโอดธรรมดา เมื่อเซลล์แสงอาทิตย์เกิดการลัดวงจร นั่นคือ V=0 กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะเป็น Isc=-IL กล่าวคือ เมื่อเซลล์แสงอาทิตย์เกิดการลัดวงจร กระแสไฟฟ้าลัดวงจรจะเป็นโฟโตปัจจุบันที่เกิดจากแสงที่ตกกระทบ ถ้าเซลล์แสงอาทิตย์เป็นวงจรเปิด นั่นคือ ถ้า I=0 แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดจะเป็น:

รูปที่ 2 วงจรสมมูลของเซลล์แสงอาทิตย์: (a) ไม่มี, (b) มีตัวต้านทานแบบอนุกรมและแบบแบ่ง จะต้องเน้นที่นี่ว่าแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและกระแสไฟฟ้าลัดวงจรเป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญสองประการของลักษณะของเซลล์แสงอาทิตย์

กำลังไฟฟ้าที่ส่งออกของเซลล์แสงอาทิตย์เป็นผลคูณของกระแสและแรงดันไฟฟ้า:

แน่นอนว่ากำลังไฟฟ้าที่ส่งออกจากเซลล์แสงอาทิตย์ไม่ใช่ค่าคงที่ ถึงค่าสูงสุดที่จุดทำงานของแรงดันไฟฟ้าปัจจุบัน และสามารถกำหนดกำลังเอาต์พุตสูงสุด Pmax ได้โดย dp/dv=0 เราสามารถอนุมานได้ว่าแรงดันเอาต์พุตที่กำลังขับสูงสุด Pmax คือ:

และกระแสไฟขาออกคือ:

กำลังไฟฟ้าเอาท์พุตสูงสุดของเซลล์แสงอาทิตย์คือ:

ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์หมายถึงอัตราส่วนของเซลล์แสงอาทิตย์ที่แปลงกำลัง Pin ของแสงตกกระทบให้เป็นกำลังไฟฟ้าเอาท์พุตสูงสุด กล่าวคือ:

การวัดประสิทธิภาพเซลล์แสงอาทิตย์ทั่วไปใช้แหล่งกำเนิดแสงที่คล้ายกับแสงแดด โดยมีพิน=1000W/ตารางเมตร

จากการทดลอง ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและกระแสของเซลล์แสงอาทิตย์ไม่ได้เป็นไปตามคำอธิบายทางทฤษฎีข้างต้นอย่างสมบูรณ์ เนื่องจากอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เองมีสิ่งที่เรียกว่าความต้านทานแบบอนุกรมและความต้านทานแบบแบ่ง สำหรับวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ใดๆ หรือการสัมผัสกันระหว่างเซมิคอนดักเตอร์กับโลหะ ความต้านทานจะมากหรือน้อยอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ซึ่งจะทำให้เกิดความต้านทานอนุกรมของอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ในทางกลับกัน เส้นทางกระแสใดๆ นอกเหนือจากไดโอด Pn ในอุดมคติระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบของอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์จะทำให้เกิดสิ่งที่เรียกว่ากระแสรั่วไหล เช่น กระแสการสร้าง-การรวมตัวใหม่ในอุปกรณ์ , กระแสการรวมตัวของพื้นผิว, การแยกขอบที่ไม่สมบูรณ์ของอุปกรณ์ และทางแยกการเจาะหน้าสัมผัสโลหะ

โดยปกติแล้ว เราใช้ความต้านทานแบ่งเพื่อกำหนดกระแสรั่วไหลของเซลล์แสงอาทิตย์ ซึ่งก็คือ Rsh=V/Ileak ยิ่งความต้านทานแบ่งมากเท่าใด กระแสรั่วไหลก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น หากเราพิจารณาความต้านทานข้อต่อ Rs และความต้านทานสับเปลี่ยน Rsh ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถเขียนได้เป็น:

นอกจากนี้เรายังสามารถใช้พารามิเตอร์เพียงตัวเดียวเท่านั้น ที่เรียกว่าตัวประกอบการเติม เพื่อสรุปทั้งผลกระทบของความต้านทานแบบอนุกรมและความต้านทานแบบแบ่ง กำหนดเป็น:

เห็นได้ชัดว่าปัจจัยการเติมจะสูงสุดหากไม่มีตัวต้านทานแบบอนุกรมและความต้านทานแบบแบ่งไม่มีที่สิ้นสุด (ไม่มีกระแสรั่วไหล) การเพิ่มความต้านทานแบบอนุกรมหรือการลดลงของความต้านทานแบบแบ่งจะลดปัจจัยการเติม ทางนี้,. ประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์สามารถแสดงได้ด้วยพารามิเตอร์ที่สำคัญ 3 ประการ ได้แก่ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด Voc, Isc กระแสไฟฟ้าลัดวงจร และปัจจัยการเติม FF

เห็นได้ชัดว่าเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ จำเป็นต้องเพิ่มแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด กระแสไฟฟ้าลัดวงจร (นั่นคือ โฟโตปัจจุบัน) และตัวประกอบการเติม (นั่นคือ ลดความต้านทานอนุกรมและกระแสรั่วไหลไปพร้อมกัน)

แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดและกระแสไฟฟ้าลัดวงจร: จากสูตรก่อนหน้านี้ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของเซลล์แสงอาทิตย์จะถูกกำหนดโดยโฟโตกระแสและเซลล์อิ่มตัว จากมุมมองของฟิสิกส์เซมิคอนดักเตอร์ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดเท่ากับความแตกต่างของพลังงานแฟร์มีระหว่างอิเล็กตรอนและรูในบริเวณประจุในอวกาศ สำหรับกระแสอิ่มตัวของไดโอด Pn ในอุดมคติ คุณสามารถใช้:

เพื่อแสดง โดยที่ q0 แทนประจุต่อหน่วย ni แทนความเข้มข้นพาหะภายในของเซมิคอนดักเตอร์ ND และ NA แต่ละตัวแทนความเข้มข้นของผู้ให้และตัวรับ Dn และ Dp แต่ละตัวแทนค่าสัมประสิทธิ์การแพร่ของอิเล็กตรอนและรู นิพจน์ข้างต้นถือว่า n - กรณีที่ทั้งขอบเขตประเภทและขอบเขตประเภท p มีความกว้างทั้งคู่ โดยทั่วไป สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ซับสเตรตประเภท p พื้นที่ประเภท n จะตื้นมากและจำเป็นต้องแก้ไขการแสดงออกข้างต้น

เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ว่าเมื่อมีการส่องสว่างเซลล์แสงอาทิตย์ โฟโตปัจจุบันจะถูกสร้างขึ้น และโฟโตปัจจุบันคือกระแสไฟฟ้าวงจรปิดในความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าในปัจจุบันของเซลล์แสงอาทิตย์ ในที่นี้เราจะอธิบายโดยย่อถึงที่มาของกระแสโฟโตปัจจุบัน อัตราการสร้างพาหะในหน่วยปริมาตรต่อหน่วยเวลา (หน่วย ม. -3 วิ -1 ) ถูกกำหนดโดยสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงนั่นคือ

ในบรรดาสิ่งเหล่านั้น α แสดงถึงสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสง ซึ่งเป็นความเข้มของโฟตอนตกกระทบ (หรือความหนาแน่นของโฟตอนฟลักซ์) และ R หมายถึงสัมประสิทธิ์การสะท้อน ดังนั้นจึงแสดงถึงความเข้มของโฟตอนที่ตกกระทบซึ่งไม่มีการสะท้อนกลับ กลไกหลักสามประการที่สร้างโฟโตปัจจุบัน ได้แก่ กระแสการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนตัวพาชนกลุ่มน้อยในภูมิภาคชนิด p กระแสการแพร่กระจายของรูพาหะของชนกลุ่มน้อยในภูมิภาคชนิด n และการเคลื่อนตัวของอิเล็กตรอนและรูในบริเวณประจุอวกาศ ปัจจุบัน. ดังนั้นโฟโตปัจจุบันสามารถแสดงได้ประมาณดังนี้:

ในหมู่พวกเขา Ln และ Lp แต่ละตัวแสดงถึงความยาวการแพร่กระจายของอิเล็กตรอนในบริเวณประเภท p และรูในพื้นที่ประเภท n และเป็นความกว้างของบริเวณประจุในอวกาศ เมื่อสรุปผลลัพธ์เหล่านี้ เราจะได้นิพจน์ง่ายๆ สำหรับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด:

โดยที่ Vrcc แสดงถึงอัตราการรวมตัวกันใหม่ของคู่อิเล็กตรอน-โฮลต่อปริมาตรหน่วย แน่นอนว่านี่เป็นผลลัพธ์ตามธรรมชาติ เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดเท่ากับความแตกต่างของพลังงาน Fermi ระหว่างอิเล็กตรอนและรูในบริเวณประจุในอวกาศ และความแตกต่างของพลังงาน Fermi ระหว่างอิเล็กตรอนและรูถูกกำหนดโดยอัตราการสร้างพาหะและอัตราการรวมตัวกันใหม่ .