Quyosh xujayralari qanday ishlaydi

Quyosh xujayralari oddiy batareyalarning funktsiyalarini ishlab chiqarish uchun quyosh nurini yutish. Ammo an'anaviy batareyalardan farqli o'laroq, an'anaviy batareyalarning chiqish voltaji va maksimal chiqish quvvati sobit bo'lib, quyosh batareyalarining chiqish voltaji, oqimi va quvvati yorug'lik sharoitlari va yukning ish nuqtalari bilan bog'liq. Shu sababli, elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun quyosh batareyalaridan foydalanish uchun siz quyosh batareyalarining oqim-kuchlanish munosabatlarini va ishlash printsipini tushunishingiz kerak.

Quyosh nurining spektral yoritilishi:

Quyosh xujayralarining energiya manbai quyosh nuridir, shuning uchun tushayotgan quyosh nurlarining intensivligi va spektri quyosh batareyasi tomonidan oqim va kuchlanish chiqishini aniqlaydi. Bizga ma'lumki, biror jism quyosh ostiga qo'yilganda u quyosh nurini ikki yo'l bilan oladi, biri to'g'ridan-to'g'ri quyosh nuri, ikkinchisi esa sirtdagi boshqa jismlar tomonidan sochilganidan keyin tarqalgan quyosh nuridir. Oddiy sharoitlarda to'g'ridan-to'g'ri tushayotgan yorug'lik quyosh xujayrasi tomonidan qabul qilingan yorug'likning taxminan 80% ni tashkil qiladi. Shuning uchun bizning keyingi muhokamamiz quyosh nurlarining bevosita ta'siriga ham qaratiladi.

Quyosh nurining intensivligi va spektri spektr nurlanishi bilan ifodalanishi mumkin, bu birlik maydonga to'lqin uzunligi birligiga to'g'ri keladigan yorug'lik quvvati (Vt / m.). Quyosh nurining intensivligi (Vt/㎡) spektr yoritilishining barcha to'lqin uzunliklarining yig'indisidir. Quyosh nurlarining spektr yoritilishi o'lchangan joylashuvi va quyoshning er yuzasiga nisbatan burchagi bilan bog'liq. Buning sababi shundaki, quyosh nuri yer yuzasiga etib bormasdan oldin atmosfera tomonidan so'riladi va tarqaladi. Joylashuv va burchakning ikkita omili odatda havo massasi (AM) bilan ifodalanadi. Quyosh yoritilishi uchun AMO quyosh to'g'ridan-to'g'ri porlayotgan paytda kosmosdagi vaziyatni anglatadi. Uning yorug'lik intensivligi taxminan 1353 Vt/㎡ ni tashkil qiladi, bu taxminan 5800K haroratli qora tanli nurlanish natijasida hosil bo'lgan yorug'lik manbasiga teng. AMI er yuzidagi vaziyatni bildiradi, quyosh to'g'ridan-to'g'ri porlayotganda, yorug'lik intensivligi taxminan 925 Vt / m2 ni tashkil qiladi. AMI.5 er yuzidagi vaziyatni bildiradi, quyosh 45 daraja burchak ostida tushganda, yorug'lik intensivligi taxminan 844 Vt / m2 ni tashkil qiladi. AM 1,5 odatda er yuzasida quyosh nurlarining o'rtacha yoritilishini ifodalash uchun ishlatiladi. Quyosh batareyasi sxemasi modeli:

Yorug'lik yo'q bo'lganda, quyosh xujayrasi o'zini pn ulanish diodi kabi tutadi. Ideal diodaning oqim-kuchlanish munosabati quyidagicha ifodalanishi mumkin

I tokni ifodalagan joyda, V kuchlanishni, Is to'yinganlik oqimini va VT=KBT/q0, bu erda KB BoItsman doimiyligini, q0 birlik elektr zaryadini, T esa haroratni bildiradi. Xona haroratida VT=0,026v. Shuni ta'kidlash kerakki, Pn diyot oqimining yo'nalishi qurilmada P-turidan n-tipiga o'tish uchun aniqlanadi va kuchlanishning ijobiy va salbiy qiymatlari P-tipli terminal potentsiali sifatida aniqlanadi. minus n-tipli terminal salohiyati. Shuning uchun, agar bu ta'rifga rioya qilinsa, quyosh batareyasi ishlayotganida, uning kuchlanish qiymati ijobiy, joriy qiymati manfiy va IV egri chizig'i to'rtinchi kvadrantda bo'ladi. O'quvchilarga shuni eslatib o'tish kerakki, ideal diod deb ataladigan narsa ko'plab jismoniy sharoitlarga asoslanadi va haqiqiy diodlar tabiiy ravishda qurilmaning oqim-kuchlanish munosabatlariga ta'sir qiluvchi ba'zi bir ideal bo'lmagan omillarga ega bo'ladi, masalan, avlod-rekombinatsiya oqimi, bu erda biz g'alaba qozonamiz. uni ko'p muhokama qilma. Quyosh xujayrasi yorug'likka ta'sir qilganda, pn diyotida fototok bo'ladi. Pn o'tish joyining o'rnatilgan elektr maydoni yo'nalishi n-tipdan p-tipga bo'lganligi sababli, fotonlarning yutilishi natijasida hosil bo'lgan elektron-teshik juftlari n-tipli uchi tomon, teshiklar esa p ga qarab harakat qiladi. - oxiri turi. Ikkalasi tomonidan hosil bo'lgan fototok n-tipdan p-tipga o'tadi. Odatda, diodaning to'g'ridan-to'g'ri oqim yo'nalishi p-turidan n-turiga oqishi sifatida aniqlanadi. Shu tarzda, ideal diod bilan solishtirganda, quyosh batareyasi tomonidan yoritilganda hosil bo'lgan fototok salbiy oqimdir. Quyosh batareyasining oqim-kuchlanish munosabati ideal diod va manfiy IL fototokidir, uning kattaligi:

Boshqacha qilib aytganda, yorug'lik yo'q bo'lganda, IL=0, quyosh xujayrasi oddiy dioddir. Quyosh elementi qisqa tutashuvda, ya'ni V=0 bo'lsa, qisqa tutashuv oqimi Isc=-IL bo'ladi. Ya'ni, quyosh xujayrasi qisqa tutashganda, qisqa tutashuv oqimi tushayotgan yorug'lik natijasida hosil bo'lgan fototokdir. Agar quyosh batareyasi ochiq tutashuv bo'lsa, ya'ni I=0 bo'lsa, uning ochiq tutashuv kuchlanishi:

Shakl 2. Quyosh batareyasining ekvivalent sxemasi: (a)siz, (b) ketma-ket va shuntli rezistorlar bilan. Bu erda ochiq tutashuv kuchlanishi va qisqa tutashuv oqimi quyosh batareyasi xususiyatlarining ikkita muhim parametri ekanligini ta'kidlash kerak.

Quyosh batareyasining quvvati oqim va kuchlanishning mahsulotidir:

Shubhasiz, quyosh xujayrasi tomonidan ishlab chiqarilgan quvvat sobit qiymat emas. Ma'lum bir oqim kuchlanishining ish nuqtasida maksimal qiymatga etadi va maksimal chiqish quvvati Pmax dp/dv=0 bilan aniqlanishi mumkin. Maksimal chiqish quvvati Pmaxdagi chiqish kuchlanishi quyidagicha xulosa qilishimiz mumkin:

va chiqish oqimi:

Quyosh batareyasining maksimal chiqish quvvati:

Quyosh xujayrasining samaradorligi quyosh batareyasining tushayotgan yorug'lik quvvatini maksimal chiqish elektr quvvatiga aylantirish nisbatini anglatadi, ya'ni:

Umumiy quyosh batareyasi samaradorligini o'lchash uchun quyosh nuriga o'xshash yorug'lik manbasi pin = 1000W / ㎡ bilan ishlatiladi.

Eksperimental ravishda, quyosh batareyalarining oqim-kuchlanish munosabatlari yuqoridagi nazariy tavsifga to'liq mos kelmaydi. Buning sababi shundaki, fotovoltaik qurilmaning o'zi ketma-ket qarshilik va shunt qarshiligi deb ataladi. Har qanday yarimo'tkazgich materiali yoki yarimo'tkazgich va metall o'rtasidagi aloqa uchun muqarrar ravishda katta yoki kichik qarshilik bo'ladi, bu esa fotovoltaik qurilmaning ketma-ket qarshiligini hosil qiladi. Boshqa tomondan, fotovoltaik qurilmaning ijobiy va salbiy elektrodlari orasidagi ideal Pn diyotidan tashqari har qanday oqim yo'li qurilmadagi avlod-rekombinatsiya oqimi kabi qochqin oqimi deb ataladigan oqimga olib keladi. , sirtni rekombinatsiya qilish oqimi, qurilmaning to'liq bo'lmagan chekka izolyatsiyasi va metall kontaktlarning penetratsion birikmasi.

Odatda, biz quyosh batareyalarining qochqin oqimini aniqlash uchun shunt qarshiligidan foydalanamiz, ya'ni Rsh=V/Ileak. Shunt qarshiligi qanchalik katta bo'lsa, oqish oqimi shunchalik kichik bo'ladi. Agar qo'shma qarshilik Rs va shunt qarshiligi Rsh ni hisobga olsak, quyosh elementining oqim-kuchlanish munosabati quyidagicha yozilishi mumkin:

Biz ketma-ket qarshilik va shunt qarshiligining ta'sirini umumlashtirish uchun faqat bitta parametrdan, to'ldirish faktoridan foydalanishimiz mumkin. quyidagicha aniqlanadi:

Ko'rinib turibdiki, agar ketma-ket qarshilik bo'lmasa va shunt qarshiligi cheksiz bo'lsa (oqish oqimi bo'lmasa) to'ldirish omili maksimal bo'ladi. Ketma-ket qarshilikning har qanday ortishi yoki shunt qarshiligining pasayishi to'ldirish omilini kamaytiradi. Shu tarzda, shu ravishda, shunday qilib,. Quyosh xujayralarining samaradorligi uchta muhim parametr bilan ifodalanishi mumkin: ochiq elektron kuchlanish Voc, qisqa tutashuv oqimi Isc va to'ldirish omili FF.

Shubhasiz, quyosh batareyasining samaradorligini oshirish uchun bir vaqtning o'zida uning ochiq tutashuv kuchlanishini, qisqa tutashuv oqimini (ya'ni fototokni) va to'ldirish omilini (ya'ni ketma-ket qarshilik va oqish oqimini kamaytirish) oshirish kerak.

Ochiq tutashuv kuchlanishi va qisqa tutashuv oqimi: Oldingi formuladan kelib chiqqan holda, quyosh batareyasining ochiq tutashuv kuchlanishi fototok va to'yingan hujayra tomonidan aniqlanadi. Yarimo'tkazgichlar fizikasi nuqtai nazaridan, ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishi fazoviy zaryad mintaqasidagi elektronlar va teshiklar orasidagi Fermi energiya farqiga teng. Ideal Pn diodining to'yinganlik oqimiga kelsak, siz quyidagilarni ishlatishingiz mumkin:

ifodalash. bu yerda q0 birlik zaryadni ifodalaydi, ni yarimo‘tkazgichning ichki tashuvchisi konsentratsiyasini, ND va NA har biri donor va akseptor kontsentratsiyasini, Dn va Dp har biri elektron va teshiklarning diffuziya koeffitsientini ifodalaydi, yuqoridagi ifoda n ni nazarda tutadi. - Tur mintaqasi ham, p tipidagi mintaqa ham keng bo'lgan holat. Odatda, p-tipli substratlardan foydalanadigan quyosh xujayralari uchun n-tipli maydon juda sayoz va yuqoridagi ifodani o'zgartirish kerak.

Yuqorida aytib o'tgan edikki, quyosh batareyasi yoritilsa, fototok hosil bo'ladi va fototok quyosh batareyasining tok-kuchlanish munosabatidagi yopiq tutashuv oqimidir. Bu erda biz fototokning kelib chiqishini qisqacha tasvirlab beramiz. Vaqt birligidagi hajmdagi tashuvchilarning hosil bo'lish tezligi (birlik m -3 s -1 ) yorug'lik yutilish koeffitsienti bilan belgilanadi, ya'ni

Ularning ichida a yorug'lik yutilish koeffitsientini ifodalaydi, bu tushayotgan fotonlarning intensivligi (yoki foton oqimining zichligi), R esa aks etish koeffitsientini anglatadi, shuning uchun u tushayotgan fotonlarning aks ettirilmagan intensivligini ifodalaydi. Fototokni hosil qiluvchi uchta asosiy mexanizm quyidagilardir: p-tipli mintaqadagi ozchilik tashuvchi elektronlarning diffuziya oqimi, n-tipli mintaqadagi ozchilik tashuvchisi teshiklarining diffuziya oqimi va kosmik zaryad hududida elektronlar va teshiklarning siljishi. joriy. Shunday qilib, fototokni taxminan quyidagicha ifodalash mumkin:

Ularning orasida Ln va Lp har biri p tipidagi mintaqadagi elektronlarning diffuziya uzunligini va n tipidagi hududdagi teshiklarni ifodalaydi va kosmik zaryad mintaqasining kengligidir. Ushbu natijalarni umumlashtirib, biz ochiq elektron kuchlanish uchun oddiy ifodani olamiz:

bu erda Vrcc elektron-teshik juftlarining birlik hajmdagi rekombinatsiya tezligini ifodalaydi. Albatta, bu tabiiy natijadir, chunki ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanish fazoviy zaryad mintaqasidagi elektronlar va teshiklar orasidagi Fermi energiyasi farqiga teng va elektronlar va teshiklar orasidagi Fermi energiyasi farqi tashuvchining hosil bo'lish tezligi va rekombinatsiya tezligi bilan belgilanadi. .