Güneş pilleri nasıl çalışır?

Güneş hücreleri Sıradan pillerin işlevlerini üretmek için güneş ışığını emer. Ancak geleneksel pillerden farklı olarak geleneksel pillerin çıkış voltajı ve maksimum çıkış gücü sabitken, güneş pillerinin çıkış voltajı, akımı ve gücü aydınlatma koşulları ve yük çalışma noktalarıyla ilişkilidir. Bu nedenle güneş pillerini elektrik üretmek amacıyla kullanabilmek için güneş pillerinin akım-gerilim ilişkisini ve çalışma prensibini anlamalısınız.

Güneş ışığının spektral aydınlatması:

Güneş pillerinin enerji kaynağı güneş ışığıdır, dolayısıyla gelen güneş ışığının yoğunluğu ve spektrumu, güneş pilinin akım ve voltaj çıkışını belirler. Bir cismin güneş altına konulduğunda güneş ışığını iki şekilde aldığını biliyoruz; biri doğrudan güneş ışığı, diğeri ise güneş ışığının yüzeydeki diğer cisimler tarafından saçılıp dağılmasıdır. Normal koşullar altında, doğrudan gelen ışık, bir güneş pili tarafından alınan ışığın yaklaşık %80'ini oluşturur. Bu nedenle, aşağıdaki tartışmamız aynı zamanda doğrudan güneş ışığına maruz kalma konusuna da odaklanacaktır.

Güneş ışığının yoğunluğu ve spektrumu, birim alan başına birim dalga boyu başına ışık gücü (W/㎡um) olan spektrum ışınımı ile ifade edilebilir. Güneş ışığının yoğunluğu (W/㎡), spektrum aydınlatmasının tüm dalga boylarının toplamıdır. Güneş ışığının spektrum aydınlatması, güneşin dünya yüzeyine göre ölçülen konumu ve açısı ile ilgilidir. Bunun nedeni, güneş ışığının dünya yüzeyine ulaşmadan önce atmosfer tarafından emilip saçılmasıdır. Konum ve açıdan oluşan iki faktör genellikle hava kütlesi (AM) olarak adlandırılan şeyle temsil edilir. Güneş aydınlatması için AMO, güneşin doğrudan parladığı uzaydaki durumu ifade eder. Işık yoğunluğu yaklaşık 1353 W/㎡ olup, yaklaşık olarak 5800K sıcaklıktaki kara cisim ışınımının ürettiği ışık kaynağına eşdeğerdir. AMI, dünya yüzeyinde güneşin doğrudan parladığı, ışık yoğunluğunun yaklaşık 925 W/m2 olduğu durumu ifade eder. AMI.5, güneşin 45 derecelik açıyla geldiği dünya yüzeyindeki ışık yoğunluğunun yaklaşık 844 W/m2 olduğu durumu ifade eder. AM 1.5 genellikle dünya yüzeyindeki güneş ışığının ortalama aydınlatmasını temsil etmek için kullanılır. Güneş pili devre modeli:

Işık olmadığında, güneş pili pn bağlantı diyotu gibi davranır. İdeal bir diyotun akım-gerilim ilişkisi şu şekilde ifade edilebilir:

I akımı temsil ederken, V voltajı temsil eder, Is doyma akımını temsil eder ve VT=KBT/q0, burada KB BoItzmann sabitini temsil eder, q0 birim elektrik yükünü ve T sıcaklıktır. Oda sıcaklığında VT=0,026v. Cihazda Pn diyot akımının yönünün P tipinden n tipine doğru akacak şekilde tanımlandığı ve voltajın pozitif ve negatif değerlerinin P tipi terminal potansiyeli olarak tanımlandığı belirtilmelidir. eksi n-tipi terminal potansiyeli. Dolayısıyla bu tanıma uyulursa güneş pili çalışırken gerilim değeri pozitif, akım değeri negatif, IV eğrisi ise dördüncü çeyrekte olur. İdeal diyot olarak adlandırılan diyotun birçok fiziksel duruma bağlı olduğunu ve gerçek diyotların doğal olarak cihazın akım-gerilim ilişkisini etkileyen üretim-rekombinasyon akımı gibi bazı ideal olmayan faktörlere sahip olacağını burada okuyuculara hatırlatmak gerekir. Bunu fazla tartışmayalım. Güneş pili ışığa maruz kaldığında pn diyotta fotoakım oluşacaktır. Pn bağlantısının yerleşik elektrik alanı yönü n-tipinden p-tipine doğru olduğundan, fotonların soğurulmasıyla oluşturulan elektron-delik çiftleri n-tipi uca doğru ilerlerken, delikler p'ye doğru ilerleyecektir. -tip sonu. İkisinin oluşturduğu fotoakım n-tipinden p-tipine doğru akacaktır. Genel olarak bir diyotun ileri akım yönü, p-tipinden n-tipine doğru akması olarak tanımlanır. Bu şekilde ideal bir diyotla karşılaştırıldığında güneş pilinin aydınlatıldığında ürettiği foto akım negatif bir akımdır. Güneş pilinin akım-gerilim ilişkisi ideal diyot artı negatif fotoakım IL'dir ve büyüklüğü şöyledir:

Başka bir deyişle, ışık olmadığında, IL=0, güneş pili sıradan bir diyottur. Güneş pili kısa devre olduğunda yani V=0 olduğunda kısa devre akımı Isc=-IL olur. Yani güneş pili kısa devre yaptığında kısa devre akımı gelen ışığın ürettiği foto akımdır. Güneş pili açık devre ise yani I=0 ise açık devre gerilimi:

Şekil 2. Güneş pilinin eşdeğer devresi: (a) seri ve şönt dirençli (b) dirençsiz. Burada açık devre gerilimi ve kısa devre akımının güneş pili karakteristiğinin iki önemli parametresi olduğunu vurgulamak gerekir.

Bir güneş pilinin güç çıkışı akım ve voltajın çarpımıdır:

Açıkçası, güneş pilinin ürettiği güç sabit bir değer değildir. Belirli bir akım-gerilim çalışma noktasında maksimum değere ulaşır ve maksimum çıkış gücü Pmax dp/dv=0 ile belirlenebilir. Maksimum çıkış gücü Pmax'taki çıkış voltajının şu şekilde olduğunu çıkarabiliriz:

ve çıkış akımı:

Güneş pilinin maksimum çıkış gücü:

Bir güneş pilinin verimliliği, gelen ışığın güç Pinini maksimum çıkış elektrik gücüne dönüştüren güneş pilinin oranını ifade eder; yani:

Genel güneş pili verimliliği ölçümleri, pin=1000W/㎡ olan güneş ışığına benzer bir ışık kaynağı kullanır.

Deneysel olarak, güneş pillerinin akım-gerilim ilişkisi yukarıdaki teorik açıklamaya tam olarak uymamaktadır. Bunun nedeni, fotovoltaik cihazın kendisinin seri direnç ve şönt direnç olarak adlandırılan dirence sahip olmasıdır. Herhangi bir yarı iletken malzeme için veya bir yarı iletken ile bir metal arasındaki temas için, kaçınılmaz olarak fotovoltaik cihazın seri direncini oluşturacak daha fazla veya daha az direnç olacaktır. Öte yandan fotovoltaik cihazın pozitif ve negatif elektrotları arasında ideal Pn diyot dışında herhangi bir akım yolu, cihazda üretim-rekombinasyon akımı gibi kaçak akım olarak adlandırılan akıma neden olacaktır. , yüzey rekombinasyon akımı, cihazın eksik kenar izolasyonu ve metal temas penetrasyon bağlantısı.

Genellikle güneş pillerinin kaçak akımını tanımlamak için şönt direnci kullanırız, yani Rsh=V/Ileak. Şönt direnci ne kadar büyük olursa kaçak akım o kadar küçük olur. Eklem direnci Rs ve şönt direnci Rsh dikkate alınırsa güneş pilinin akım-gerilim ilişkisi şu şekilde yazılabilir:

Hem seri direncin hem de şönt direncin etkilerini özetlemek için doldurma faktörü adı verilen tek bir parametreyi de kullanabiliriz. şu şekilde tanımlanır:

Seri direnç yoksa ve şönt direnci sonsuzsa (kaçak akım yoksa) doldurma faktörünün maksimum olacağı açıktır. Seri dirençteki herhangi bir artış veya şönt dirençteki azalma doldurma faktörünü azaltacaktır. Böylece,. Güneş pillerinin verimliliği üç önemli parametreyle ifade edilebilir: açık devre voltajı Voc, kısa devre akımı Isc ve doldurma faktörü FF.

Açıkçası, bir güneş pilinin verimliliğini artırmak için, açık devre voltajını, kısa devre akımını (yani fotoakımı) ve doldurma faktörünü (yani seri direncini ve kaçak akımı azaltmak) aynı anda artırmak gerekir.

Açık devre gerilimi ve kısa devre akımı: Önceki formülden yola çıkarak güneş hücresinin açık devre gerilimi fotoakım ve doymuş hücre tarafından belirlenir. Yarı iletken fiziği açısından bakıldığında, açık devre voltajı, uzay yük bölgesindeki elektronlar ve delikler arasındaki Fermi enerji farkına eşittir. İdeal bir Pn diyotun doyma akımına gelince, şunları kullanabilirsiniz:

ifade etmek. burada q0 birim yükü temsil eder, ni yarı iletkenin içsel taşıyıcı konsantrasyonunu temsil eder, ND ve NA'nın her biri verici ve alıcının konsantrasyonunu temsil eder, Dn ve Dp'nin her biri elektronların ve deliklerin difüzyon katsayısını temsil eder; yukarıdaki ifadede n varsayılmaktadır. - Hem tip bölgesinin hem de p-tipi bölgenin geniş olması durumu. Genel olarak p tipi substrat kullanan güneş pilleri için n tipi alan çok sığdır ve yukarıdaki ifadenin değiştirilmesi gerekir.

Daha önce bir güneş pili aydınlatıldığında bir fotoakım oluştuğunu ve fotoakımın güneş pilinin akım-gerilim ilişkisindeki kapalı devre akımı olduğunu belirtmiştik. Burada fotoakımın kökenini kısaca anlatacağız. Birim zaman başına birim hacimdeki taşıyıcıların üretim oranı (birim m-3 s-1), ışık soğurma katsayısı ile belirlenir, yani

Bunların arasında α, gelen fotonların yoğunluğu (veya foton akısı yoğunluğu) olan ışık absorpsiyon katsayısını temsil eder ve R, yansıma katsayısını ifade eder, dolayısıyla yansıtılmayan gelen fotonların yoğunluğunu temsil eder. Fotoakımı üreten üç ana mekanizma şunlardır: p-tipi bölgedeki azınlık taşıyıcı elektronların difüzyon akımı, n-tipi bölgedeki azınlık taşıyıcı deliklerin difüzyon akımı ve uzay yükü bölgesindeki elektronların ve deliklerin sürüklenmesi. akım. Bu nedenle, fotoakım yaklaşık olarak şu şekilde ifade edilebilir:

Bunlardan Ln ve Lp'nin her biri, p-tipi bölgedeki elektronların ve n-tipi bölgedeki deliklerin difüzyon uzunluğunu temsil eder ve uzay yükü bölgesinin genişliğidir. Bu sonuçları özetleyerek açık devre voltajı için basit bir ifade elde ederiz:

burada Vrcc, birim hacim başına elektron-delik çiftlerinin rekombinasyon oranını temsil eder. Elbette bu doğal bir sonuçtur çünkü açık devre voltajı, uzay yük bölgesindeki elektronlar ve delikler arasındaki Fermi enerji farkına eşittir ve elektronlar ve delikler arasındaki Fermi enerji farkı, taşıyıcı üretim hızı ve rekombinasyon hızı tarafından belirlenir. .