Paano gumagana ang mga solar cell

Mga solar cell sumipsip ng sikat ng araw upang makagawa ng mga function ng mga ordinaryong baterya. Ngunit hindi tulad ng mga tradisyunal na baterya, ang output boltahe at maximum na output na kapangyarihan ng mga tradisyonal na baterya ay naayos, habang ang output boltahe, kasalukuyang, at kapangyarihan ng mga solar cell ay nauugnay sa mga kondisyon ng pag-iilaw at pag-load ng mga operating point. Dahil dito, upang magamit ang mga solar cell upang makabuo ng kuryente, dapat mong maunawaan ang kasalukuyang-boltahe na relasyon at prinsipyo ng pagtatrabaho ng mga solar cell.

Spectral na pag-iilaw ng sikat ng araw:

Ang pinagmumulan ng enerhiya ng mga solar cell ay sikat ng araw, kaya ang intensity at spectrum ng insidente ng sikat ng araw ay tumutukoy sa kasalukuyang at boltahe na output ng solar cell. Alam natin na kapag ang isang bagay ay inilagay sa ilalim ng araw, ito ay tumatanggap ng sikat ng araw sa dalawang paraan, ang isa ay direktang liwanag ng araw, at ang isa ay nagkakalat ng sikat ng araw pagkatapos nakakalat ng iba pang mga bagay sa ibabaw. Sa ilalim ng normal na mga pangyayari, ang direktang insidente na ilaw ay nagkakahalaga ng humigit-kumulang 80% ng liwanag na natatanggap ng isang solar cell. Samakatuwid, ang ating susunod na talakayan ay tututuon din sa direktang pagkakalantad sa sikat ng araw.

Ang intensity at spectrum ng sikat ng araw ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng spectrum irradiance, na kung saan ay ang light power bawat unit wavelength bawat unit area (W/㎡um). Ang intensity ng sikat ng araw (W/㎡) ay ang kabuuan ng lahat ng wavelength ng spectrum illumination. Ang spectrum illumination ng sikat ng araw ay nauugnay sa sinusukat na posisyon at ang anggulo ng araw na may kaugnayan sa ibabaw ng mundo. Ito ay dahil ang sikat ng araw ay maa-absorb at ikakalat ng atmospera bago makarating sa ibabaw ng mundo. Ang dalawang salik ng posisyon at anggulo ay karaniwang kinakatawan ng tinatawag na air mass (AM). Para sa solar illumination, ang AMO ay tumutukoy sa sitwasyon sa outer space kapag direktang sumisikat ang araw. Ang intensity ng liwanag nito ay humigit-kumulang 1353 W/㎡, na tinatayang katumbas ng pinagmumulan ng liwanag na ginawa ng blackbody radiation na may temperaturang 5800K. Ang AMI ay tumutukoy sa sitwasyon sa ibabaw ng mundo, kapag direktang sumisikat ang araw, ang intensity ng liwanag ay humigit-kumulang 925 W/m2. Ang AMI.5 ay tumutukoy sa sitwasyon sa ibabaw ng mundo, kapag ang araw ay naganap sa isang anggulo na 45 degrees, ang intensity ng liwanag ay humigit-kumulang 844 W/m2. Ang AM 1.5 ay karaniwang ginagamit upang kumatawan sa average na pag-iilaw ng sikat ng araw sa ibabaw ng mundo. Modelo ng solar cell circuit:

Kapag walang ilaw, ang isang solar cell ay kumikilos tulad ng isang pn junction diode. Ang kasalukuyang-boltahe na relasyon ng isang perpektong diode ay maaaring ipahayag bilang

Kung saan ako ay kumakatawan sa kasalukuyang, ang V ay kumakatawan sa boltahe, Ay ang saturation kasalukuyang, at VT=KBT/q0, kung saan ang KB ay kumakatawan sa BoItzmann constant, q0 ay ang yunit ng electric charge, at T ang temperatura. Sa temperatura ng silid, VT=0.026v. Dapat tandaan na ang direksyon ng kasalukuyang Pn diode ay tinukoy na dumaloy mula sa P-type hanggang n-type sa device, at ang positibo at negatibong mga halaga ng boltahe ay tinukoy bilang ang P-type na potensyal na terminal. bawasan ang potensyal na terminal ng n-type. Samakatuwid, kung susundin ang kahulugang ito, kapag gumagana ang solar cell, ang halaga ng boltahe nito ay positibo, ang kasalukuyang halaga nito ay negatibo, at ang IV curve ay nasa ikaapat na kuwadrante. Dapat ipaalala sa mga mambabasa dito na ang tinatawag na ideal na diode ay nakabatay sa maraming pisikal na kondisyon, at ang mga aktwal na diode ay natural na magkakaroon ng ilang di-ideal na salik na makakaapekto sa kasalukuyang boltahe na relasyon ng device, tulad ng generation-recombination current, dito We won' t talakayin ito ng marami. Kapag ang solar cell ay nalantad sa liwanag, magkakaroon ng photocurrent sa pn diode. Dahil ang built-in na electric field na direksyon ng pn junction ay mula sa n-type hanggang p-type, ang mga pares ng electron-hole na nabuo sa pamamagitan ng pagsipsip ng mga photon ay tatakbo patungo sa n-type na dulo, habang ang mga butas ay tatakbo patungo sa p -uri ng dulo. Ang photocurrent na nabuo ng dalawa ay dadaloy mula sa n-type hanggang sa p-type. Sa pangkalahatan, ang pasulong na kasalukuyang direksyon ng isang diode ay tinukoy bilang dumadaloy mula sa p-type hanggang sa n-type. Sa ganitong paraan, kumpara sa isang perpektong diode, ang photocurrent na nabuo ng isang solar cell kapag nag-iilaw ay isang negatibong kasalukuyang. Ang kasalukuyang-boltahe na relasyon ng solar cell ay ang perpektong diode kasama ang isang negatibong photocurrent IL, na ang magnitude ay:

Sa madaling salita, kapag walang ilaw, IL=0, ang solar cell ay isang ordinaryong diode lamang. Kapag ang solar cell ay short-circuited, ibig sabihin, V=0, ang short-circuit current ay Isc=-IL. Ibig sabihin, kapag ang solar cell ay short-circuited, ang short-circuit current ay ang photocurrent na nabuo ng incident light. Kung ang solar cell ay open circuit, ibig sabihin, kung I=0, ang open circuit voltage nito ay:

Figure 2. Katumbas na circuit ng solar cell: (a) wala, (b) na may series at shunt resistors. Dapat bigyang-diin dito na ang boltahe ng bukas na circuit at kasalukuyang maikling circuit ay dalawang mahalagang parameter ng mga katangian ng solar cell.

Ang power output ng isang solar cell ay ang produkto ng kasalukuyang at boltahe:

Malinaw, ang power output ng solar cell ay hindi isang nakapirming halaga. Naabot nito ang pinakamataas na halaga sa isang partikular na kasalukuyang boltahe na operating point, at ang pinakamataas na output power na Pmax ay maaaring matukoy ng dp/dv=0. Maaari nating mahihinuha na ang output boltahe sa pinakamataas na output power na Pmax ay:

at ang kasalukuyang output ay:

Ang pinakamataas na lakas ng output ng solar cell ay:

Ang kahusayan ng isang solar cell ay tumutukoy sa ratio ng solar cell na nagko-convert ng power Pin ng incident light sa pinakamataas na output na electrical power, iyon ay:

Ang mga pangkalahatang sukat ng kahusayan ng solar cell ay gumagamit ng pinagmumulan ng liwanag na katulad ng sikat ng araw na may pin=1000W/㎡.

Sa eksperimento, ang kasalukuyang-boltahe na relasyon ng mga solar cell ay hindi ganap na sumusunod sa teoretikal na paglalarawan sa itaas. Ito ay dahil ang photovoltaic device mismo ay may tinatawag na series resistance at shunt resistance. Para sa anumang materyal na semiconductor, o ang contact sa pagitan ng isang semiconductor at isang metal, hindi maaaring hindi magkakaroon ng mas malaki o mas mababang resistensya, na bubuo sa serye ng resistensya ng photovoltaic device. Sa kabilang banda, ang anumang kasalukuyang landas maliban sa perpektong Pn diode sa pagitan ng positibo at negatibong mga electrodes ng photovoltaic device ay magdudulot ng tinatawag na leakage current, tulad ng generation-recombination current sa device. , surface recombination current, hindi kumpletong edge isolation ng device, at metal contact penetration junction.

Karaniwan, gumagamit kami ng shunt resistance upang tukuyin ang leakage current ng solar cells, iyon ay, Rsh=V/Ileak. Kung mas malaki ang shunt resistance, mas maliit ang leakage current. Kung isasaalang-alang natin ang joint resistance Rs at ang shunt resistance Rsh, ang kasalukuyang-boltahe na relasyon ng solar cell ay maaaring isulat bilang:

Maaari rin kaming gumamit lamang ng isang parameter, ang tinatawag na fill factor, upang i-summarize ang parehong mga epekto ng series resistance at shunt resistance. tinukoy bilang:

Malinaw na ang fill factor ay maximum kung walang series resistor at ang shunt resistance ay infinite (walang leakage current). Ang anumang pagtaas sa resistensya ng serye o pagbaba sa resistensya ng shunt ay magbabawas sa fill factor. Sa ganitong paraan,. Ang kahusayan ng mga solar cell ay maaaring ipahayag sa pamamagitan ng tatlong mahahalagang parameter: open circuit voltage Voc, short circuit current Isc, at fill factor FF.

Malinaw, upang mapabuti ang kahusayan ng isang solar cell, ito ay kinakailangan upang sabay-sabay na taasan ang bukas na boltahe ng circuit, short circuit kasalukuyang (iyon ay, photocurrent), at fill factor (iyon ay, bawasan ang series resistance at leakage current).

Open circuit boltahe at short circuit kasalukuyang: Sa paghusga mula sa nakaraang formula, ang bukas na circuit boltahe ng solar cell ay tinutukoy ng photocurrent at ang saturated cell. Mula sa pananaw ng semiconductor physics, ang open circuit boltahe ay katumbas ng Fermi energy difference sa pagitan ng mga electron at hole sa space charge region. Tulad ng para sa kasalukuyang saturation ng isang perpektong Pn diode, maaari mong gamitin ang:

upang ipahayag. kung saan ang q0 ay kumakatawan sa unit charge, ni ay kumakatawan sa intrinsic carrier concentration ng semiconductor, ND at NA bawat isa ay kumakatawan sa konsentrasyon ng donor at ang acceptor, Dn at Dp bawat isa ay kumakatawan sa diffusion coefficient ng mga electron at hole, ang expression sa itaas ay ipinapalagay n - Ang kaso kung saan parehong malawak ang uri ng rehiyon at ang p-type na rehiyon. Sa pangkalahatan, para sa mga solar cell na gumagamit ng mga p-type na substrate, ang n-type na lugar ay napakababaw, at ang expression sa itaas ay kailangang baguhin.

Nabanggit namin kanina na kapag ang isang solar cell ay iluminado, ang isang photocurrent ay nabuo, at ang photocurrent ay ang closed-circuit na kasalukuyang sa kasalukuyang-boltahe na relasyon ng solar cell. Dito ay maikli nating ilalarawan ang pinagmulan ng photocurrent. Ang rate ng henerasyon ng mga carrier sa dami ng yunit sa bawat yunit ng oras (unit m -3 s -1 ) ay tinutukoy ng light absorption coefficient, iyon ay

Kabilang sa mga ito, ang α ay kumakatawan sa light absorption coefficient, na kung saan ay ang intensity ng incident photons (o photon flux density), at R ay tumutukoy sa reflection coefficient, kaya kinakatawan nito ang intensity ng incident photon na hindi naipapakita. Ang tatlong pangunahing mekanismo na bumubuo ng photocurrent ay: ang diffusion current ng minority carrier electron sa p-type na rehiyon, ang diffusion current ng minority carrier hole sa n-type na rehiyon, at ang drift ng mga electron at butas sa space charge region. kasalukuyang. Samakatuwid, ang photocurrent ay maaaring ipahayag bilang:

Kabilang sa mga ito, ang Ln at Lp bawat isa ay kumakatawan sa haba ng pagsasabog ng mga electron sa rehiyon ng p-type at mga butas sa rehiyon ng n-type, at ang lapad ng rehiyon ng singil sa espasyo. Pagbubuod ng mga resultang ito, nakakakuha kami ng isang simpleng expression para sa boltahe ng bukas na circuit:

kung saan ang Vrcc ay kumakatawan sa recombination rate ng mga pares ng electron-hole sa bawat unit volume. Siyempre, ito ay isang natural na resulta, dahil ang boltahe ng bukas na circuit ay katumbas ng pagkakaiba ng enerhiya ng Fermi sa pagitan ng mga electron at mga butas sa rehiyon ng singil sa espasyo, at ang pagkakaiba ng enerhiya ng Fermi sa pagitan ng mga electron at mga butas ay tinutukoy ng rate ng henerasyon ng carrier at rate ng recombination. .