Як працюють сонячні батареї

Сонячні елементи поглинають сонячне світло, щоб виконувати функції звичайних батарей. Але на відміну від традиційних батарей, вихідна напруга та максимальна вихідна потужність традиційних батарей є фіксованими, тоді як вихідна напруга, струм і потужність сонячних батарей залежать від умов освітлення та робочих точок навантаження. Через це, щоб використовувати сонячні батареї для вироблення електроенергії, ви повинні розуміти співвідношення струм-напруга та принцип роботи сонячних батарей.

Спектральне освітлення сонячного світла:

Джерелом енергії сонячних елементів є сонячне світло, тому інтенсивність і спектр падаючого сонячного світла визначають вихідний струм і напругу сонячного елемента. Ми знаємо, що коли об’єкт поміщається під сонце, він отримує сонячне світло двома способами: один – це пряме сонячне світло, а інший – розсіяне сонячне світло після розсіювання іншими об’єктами на поверхні. За нормальних обставин пряме падаюче світло становить близько 80% світла, яке отримує сонячна батарея. Тому наше наступне обговорення також буде зосереджено на прямому впливі сонячного світла.

Інтенсивність і спектр сонячного світла можна виразити через спектр опромінення, який є потужністю світла на одиницю довжини хвилі на одиницю площі (Вт/㎡um). Інтенсивність сонячного світла (Вт/㎡) є сумою всіх довжин хвиль спектру освітлення. Спектр освітленості сонячного світла пов'язаний з виміряним положенням і кутом сонця відносно земної поверхні. Це пояснюється тим, що сонячне світло поглинається й розсіюється атмосферою, перш ніж досягне земної поверхні. Два фактори положення та кута зазвичай представлені так званою повітряною масою (AM). Для сонячного освітлення AMO відноситься до ситуації у космічному просторі, коли сонце світить прямо. Його інтенсивність світла становить приблизно 1353 Вт/㎡, що приблизно еквівалентно джерелу світла, створюваному випромінюванням чорного тіла з температурою 5800 К. AMI відноситься до ситуації на земній поверхні, коли сонце світить прямо, інтенсивність світла становить близько 925 Вт/м2. AMI.5 відноситься до ситуації на земній поверхні, коли сонце падає під кутом 45 градусів, інтенсивність світла становить близько 844 Вт/м2. AM 1,5 зазвичай використовується для представлення середньої освітленості сонячного світла на земній поверхні. Модель схеми сонячної батареї:

Коли немає світла, сонячна батарея поводиться як діод з pn переходом. Співвідношення струм-напруга ідеального діода можна виразити так:

Де I — струм, V — напруга, Is — струм насичення, VT=KBT/q0, де KB — постійна Бойцмана, q0 — одиничний електричний заряд, а T — температура. При кімнатній температурі VT=0,026v. Слід зазначити, що напрямок струму діода Pn визначено таким, що протікає від P-типу до n-типу в пристрої, а позитивні та негативні значення напруги визначаються як потенціал клеми P-типу мінус кінцевий потенціал n-типу. Отже, якщо дотримуватися цього визначення, коли сонячна батарея працює, її значення напруги є додатним, значення струму є від’ємним, а крива IV знаходиться в четвертому квадранті. Тут слід нагадати читачам, що так званий ідеальний діод базується на багатьох фізичних умовах, і фактичні діоди, природно, матимуть деякі неідеальні фактори, які впливають на співвідношення струм-напруга пристрою, наприклад, струм генерації-рекомбінації, тут Ми будемо не обговорюй це багато. Коли сонячна батарея потрапляє на світло, в pn-діоді виникає фотострум. Оскільки вбудоване електричне поле pn-переходу спрямоване від n-типу до p-типу, пари електронно-дірок, утворені поглинанням фотонів, рухатимуться до кінця n-типу, тоді як дірки рухатимуться до p-типу. -тип закінчення. Фотострум, утворений двома, буде перетікати з n-типу в p-тип. Як правило, напрямок прямого струму діода визначається як перетікання від p-типу до n-типу. Таким чином, порівняно з ідеальним діодом, фотострум, який генерує сонячна батарея при освітленні, є негативним струмом. Співвідношення струм-напруга сонячної батареї – ідеальний діод плюс негативний фотострум IL, величина якого дорівнює:

Іншими словами, коли немає світла, IL=0, сонячний елемент є звичайним діодом. Коли сонячний елемент замикається накоротко, тобто V=0, струм короткого замикання Isc=-IL. Тобто, коли сонячна батарея замикається, струм короткого замикання є фотострумом, створюваним падаючим світлом. Якщо сонячна батарея має розімкнений ланцюг, тобто якщо I=0, її напруга розімкненого ланцюга дорівнює:

Рисунок 2. Еквівалентна схема сонячної батареї: (а) без, (б) з послідовним і шунтуючим резисторами. Тут слід підкреслити, що напруга холостого ходу та струм короткого замикання є двома важливими параметрами характеристик сонячної батареї.

Вихідна потужність сонячної батареї є добутком струму та напруги:

Очевидно, що вихідна потужність сонячної батареї не є фіксованою величиною. Він досягає максимального значення в певній робочій точці ток-напруга, а максимальна вихідна потужність Pmax може бути визначена dp/dv=0. Ми можемо зробити висновок, що вихідна напруга при максимальній вихідній потужності Pmax становить:

і вихідний струм:

Максимальна вихідна потужність сонячної батареї становить:

Ефективність сонячної батареї означає відношення сонячної батареї до перетворення потужності Pin падаючого світла в максимальну вихідну електричну потужність, тобто:

Загальні вимірювання ефективності сонячних елементів використовують джерело світла, подібне до сонячного світла з pin=1000 Вт/㎡.

Експериментально співвідношення струм-напруга сонячних елементів не повністю відповідає наведеному вище теоретичному опису. Це тому, що сам фотоелектричний пристрій має так званий послідовний опір і шунтовий опір. Для будь-якого напівпровідникового матеріалу або контакту між напівпровідником і металом неминуче буде більший або менший опір, який сформує послідовний опір фотоелектричного пристрою. З іншого боку, будь-який шлях струму, крім ідеального Pn-діода, між позитивним і негативним електродами фотоелектричного пристрою спричинить так званий струм витоку, такий як струм генерації-рекомбінації в пристрої. , поверхневий рекомбінаційний струм, неповна крайова ізоляція пристрою та проникнення металевого контакту.

Зазвичай ми використовуємо шунтовий опір для визначення струму витоку сонячних елементів, тобто Rsh=V/Ileak. Чим більше опір шунта, тим менше струм витоку. Якщо ми врахуємо опір з’єднання Rs і опір шунта Rsh, залежність струму від напруги сонячної батареї можна записати так:

Ми також можемо використовувати лише один параметр, так званий коефіцієнт заповнення, щоб узагальнити як вплив послідовного опору, так і опору шунта. визначається як:

Очевидно, що коефіцієнт заповнення максимальний, якщо немає послідовного резистора, а опір шунта нескінченний (без струму витоку). Будь-яке збільшення послідовного опору або зменшення опору шунта зменшить коефіцієнт заповнення. Таким чином,. Ефективність сонячних батарей можна виразити трьома важливими параметрами: напруга холостого ходу Voc, струм короткого замикання Isc і коефіцієнт заповнення FF.

Очевидно, щоб підвищити ефективність сонячної батареї, необхідно одночасно збільшити напругу холостого ходу, струм короткого замикання (тобто фотострум) і коефіцієнт заповнення (тобто зменшити послідовний опір і струм витоку).

Напруга холостого ходу та струм короткого замикання: виходячи з попередньої формули, напруга холостого ходу сонячної батареї визначається фотострумом та насиченою коміркою. З точки зору фізики напівпровідників, напруга холостого ходу дорівнює різниці енергії Фермі між електронами та дірками в області просторового заряду. Що стосується струму насичення ідеального Pn діода, ви можете використовувати:

щоб висловити. де q0 представляє одиничний заряд, ni представляє власну концентрацію носія напівпровідника, ND і NA кожен представляють концентрацію донора та акцептора, Dn і Dp кожен представляють коефіцієнт дифузії електронів і дірок, наведений вище вираз передбачає n - Випадок, коли і область типу, і область p-типу є широкими. Як правило, для сонячних елементів, які використовують підкладки p-типу, площа n-типу дуже мала, і наведений вище вираз потрібно змінити.

Раніше ми згадували, що коли сонячний елемент освітлюється, генерується фотострум, і фотострум є струмом замкнутого ланцюга у співвідношенні струм-напруга сонячного елемента. Тут ми коротко опишемо походження фотоструму. Швидкість генерації носіїв в одиниці об'єму за одиницю часу (одиниця м -3 с -1 ) визначається коефіцієнтом поглинання світла, тобто

Серед них α являє собою коефіцієнт поглинання світла, який є інтенсивністю падаючих фотонів (або щільність потоку фотонів), а R відноситься до коефіцієнта відбиття, тому він являє собою інтенсивність падаючих фотонів, які не відбиваються. Три основні механізми, які генерують фотострум: дифузійний струм неосновних електронів носіїв заряду в області p-типу, дифузійний струм неосновних носіїв заряду в області n-типу та дрейф електронів і дірок в області просторового заряду. поточний. Отже, фотострум можна приблизно виразити так:

Серед них Ln і Lp кожен представляє довжину дифузії електронів в області p-типу та дірок в області n-типу, а також ширину області просторового заряду. Узагальнюючи ці результати, ми отримуємо простий вираз для напруги холостого ходу:

де Vrcc являє собою швидкість рекомбінації електронно-діркових пар на одиницю об'єму. Звичайно, це природний результат, оскільки напруга холостого ходу дорівнює різниці енергії Фермі між електронами та дірками в області просторового заряду, а різниця енергії Фермі між електронами та дірками визначається швидкістю генерації носіїв і швидкістю рекомбінації. .