Pin mặt trời hoạt động như thế nào

Pin mặt trời hấp thụ ánh sáng mặt trời để tạo ra các chức năng của pin thông thường. Nhưng không giống như pin truyền thống, điện áp đầu ra và công suất đầu ra tối đa của pin truyền thống là cố định, trong khi điện áp đầu ra, dòng điện và công suất của pin mặt trời có liên quan đến điều kiện ánh sáng và điểm vận hành phụ tải. Vì vậy, để sử dụng pin mặt trời để tạo ra điện, bạn phải hiểu mối quan hệ dòng điện-điện áp và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.

Quang phổ chiếu sáng của ánh sáng mặt trời:

Nguồn năng lượng của pin mặt trời là ánh sáng mặt trời, do đó cường độ và phổ của ánh sáng mặt trời tới quyết định dòng điện và điện áp đầu ra của pin mặt trời. Chúng ta biết rằng khi một vật được đặt dưới ánh nắng mặt trời, nó sẽ nhận được ánh sáng mặt trời theo hai cách, một là ánh sáng mặt trời trực tiếp, hai là ánh sáng khuếch tán sau khi bị các vật thể khác trên bề mặt tán xạ. Trong trường hợp bình thường, ánh sáng tới trực tiếp chiếm khoảng 80% ánh sáng mà pin mặt trời nhận được. Do đó, cuộc thảo luận sau đây của chúng tôi cũng sẽ tập trung vào việc tiếp xúc trực tiếp với ánh sáng mặt trời.

Cường độ và quang phổ của ánh sáng mặt trời có thể được biểu thị bằng bức xạ quang phổ, là công suất ánh sáng trên một đơn vị bước sóng trên một đơn vị diện tích (W/㎡um). Cường độ ánh sáng mặt trời (W/㎡) là tổng của tất cả các bước sóng chiếu sáng quang phổ. Sự chiếu sáng quang phổ của ánh sáng mặt trời có liên quan đến vị trí đo được và góc của mặt trời so với bề mặt trái đất. Điều này là do ánh sáng mặt trời sẽ bị bầu khí quyển hấp thụ và phân tán trước khi chạm tới bề mặt trái đất. Hai yếu tố vị trí và góc thường được biểu thị bằng cái gọi là khối không khí (AM). Đối với chiếu sáng mặt trời, AMO đề cập đến tình huống ở ngoài không gian khi mặt trời chiếu trực tiếp. Cường độ ánh sáng của nó xấp xỉ 1353 W/㎡, gần tương đương với nguồn sáng được tạo ra bởi bức xạ vật đen có nhiệt độ 5800K. AMI đề cập đến tình trạng trên bề mặt trái đất, khi mặt trời chiếu trực tiếp thì cường độ ánh sáng khoảng 925 W/m2. AMI.5 đề cập đến tình trạng trên bề mặt trái đất, khi mặt trời chiếu tới một góc 45 độ thì cường độ ánh sáng khoảng 844 W/m2. AM 1.5 thường được sử dụng để biểu thị độ chiếu sáng trung bình của ánh sáng mặt trời trên bề mặt trái đất. Mô hình mạch pin mặt trời:

Khi không có ánh sáng, pin mặt trời hoạt động giống như một diode tiếp giáp pn. Mối quan hệ dòng điện-điện áp của một diode lý tưởng có thể được biểu thị bằng

Trong đó I đại diện cho dòng điện, V đại diện cho điện áp, Is là dòng điện bão hòa và VT=KBT/q0, trong đó KB đại diện cho hằng số BoItzmann, q0 là điện tích đơn vị và T là nhiệt độ. Ở nhiệt độ phòng, VT=0,026v. Cần lưu ý rằng hướng của dòng điện diode Pn được xác định là chạy từ loại P sang loại n trong thiết bị và các giá trị dương và âm của điện áp được xác định là điện thế đầu cực loại P trừ đi điện thế đầu cực loại n. Do đó, nếu tuân theo định nghĩa này, khi pin mặt trời hoạt động, giá trị điện áp của nó là dương, giá trị hiện tại của nó là âm và đường cong IV nằm ở góc phần tư thứ tư. Ở đây bạn đọc phải nhớ rằng cái gọi là diode lý tưởng dựa trên nhiều điều kiện vật lý, và điốt thực tế đương nhiên sẽ có một số yếu tố không lý tưởng ảnh hưởng đến mối quan hệ dòng điện-điện áp của thiết bị, chẳng hạn như dòng điện tái hợp thế hệ, ở đây Chúng tôi thắng' không thảo luận nhiều về nó. Khi pin mặt trời tiếp xúc với ánh sáng sẽ xuất hiện dòng quang điện trong diode pn. Do hướng điện trường tích hợp của tiếp giáp pn là từ loại n đến loại p nên các cặp electron-lỗ trống sinh ra do sự hấp thụ photon sẽ chạy về phía đầu loại n, còn lỗ trống sẽ chạy về phía p. -loại kết thúc. Dòng quang điện do cả hai tạo thành sẽ chuyển từ loại n sang loại p. Nói chung, hướng dòng thuận của diode được định nghĩa là chạy từ loại p sang loại n. Theo cách này, so với một diode lý tưởng, dòng quang được tạo ra bởi pin mặt trời khi được chiếu sáng là dòng điện âm. Mối quan hệ dòng điện-điện áp của pin mặt trời là diode lý tưởng cộng với dòng quang điện âm IL, có độ lớn là:

Nói cách khác, khi không có ánh sáng, IL=0 thì pin mặt trời chỉ là một diode thông thường. Khi pin mặt trời bị đoản mạch, tức là V=0, dòng điện ngắn mạch là Isc=-IL. Nghĩa là, khi pin mặt trời bị đoản mạch, dòng điện ngắn mạch là dòng quang được tạo ra bởi ánh sáng tới. Nếu pin mặt trời là mạch hở, nghĩa là nếu I=0 thì điện áp mạch hở của nó là:

Hình 2. Mạch tương đương của pin mặt trời: (a) không có, (b) có điện trở nối tiếp và điện trở song song. Cần phải nhấn mạnh ở đây rằng điện áp mạch hở và dòng điện ngắn mạch là hai thông số quan trọng của đặc tính pin mặt trời.

Công suất đầu ra của pin mặt trời là tích của dòng điện và điện áp:

Rõ ràng, công suất đầu ra của pin mặt trời không phải là một giá trị cố định. Nó đạt đến giá trị tối đa tại một điểm vận hành điện áp hiện tại nhất định và công suất đầu ra tối đa Pmax có thể được xác định bằng dp/dv=0. Chúng ta có thể suy ra rằng điện áp đầu ra ở công suất đầu ra cực đại Pmax là:

và dòng điện đầu ra là:

Công suất đầu ra tối đa của pin mặt trời là:

Hiệu suất của pin mặt trời đề cập đến tỷ lệ pin mặt trời chuyển đổi Pin năng lượng của ánh sáng tới thành công suất điện đầu ra tối đa, đó là:

Các phép đo hiệu suất pin mặt trời nói chung sử dụng nguồn sáng tương tự như ánh sáng mặt trời với pin=1000W/㎡.

Về mặt thực nghiệm, mối quan hệ dòng điện-điện áp của pin mặt trời không hoàn toàn tuân theo mô tả lý thuyết ở trên. Điều này là do bản thân thiết bị quang điện có cái gọi là điện trở nối tiếp và điện trở shunt. Đối với bất kỳ vật liệu bán dẫn nào, hoặc sự tiếp xúc giữa chất bán dẫn và kim loại, chắc chắn sẽ có điện trở lớn hơn hoặc nhỏ hơn, điều này sẽ tạo thành điện trở nối tiếp của thiết bị quang điện. Mặt khác, bất kỳ đường dẫn dòng điện nào khác ngoài diode Pn lý tưởng giữa các điện cực dương và âm của thiết bị quang điện sẽ gây ra cái gọi là dòng điện rò rỉ, chẳng hạn như dòng điện tái hợp tạo ra trong thiết bị. , dòng điện tái hợp bề mặt, cách ly cạnh không hoàn chỉnh của thiết bị và điểm nối xuyên tiếp xúc kim loại.

Thông thường, chúng tôi sử dụng điện trở shunt để xác định dòng rò của pin mặt trời, nghĩa là Rsh=V/Ileak. Điện trở shunt càng lớn thì dòng rò càng nhỏ. Nếu chúng ta xem xét điện trở khớp R và điện trở shunt Rsh, mối quan hệ dòng điện-điện áp của pin mặt trời có thể được viết là:

Chúng ta cũng có thể chỉ sử dụng một tham số, được gọi là hệ số lấp đầy, để tóm tắt cả ảnh hưởng của điện trở nối tiếp và điện trở shunt. định nghĩa là:

Rõ ràng là hệ số lấp đầy là tối đa nếu không có điện trở nối tiếp và điện trở shunt là vô hạn (không có dòng rò). Bất kỳ sự gia tăng điện trở nối tiếp hoặc giảm điện trở shunt sẽ làm giảm hệ số lấp đầy. Bằng cách này,. Hiệu suất của pin mặt trời có thể được biểu thị bằng ba thông số quan trọng: điện áp mạch hở Voc, dòng điện ngắn mạch Isc và hệ số lấp đầy FF.

Rõ ràng, để nâng cao hiệu suất của pin mặt trời, cần phải đồng thời tăng điện áp mạch hở, dòng điện ngắn mạch (tức là dòng quang) và hệ số lấp đầy (nghĩa là giảm điện trở nối tiếp và dòng rò).

Điện áp mạch hở và dòng điện ngắn mạch: Đánh giá từ công thức trước, điện áp mạch hở của pin mặt trời được xác định bởi dòng quang và pin bão hòa. Từ góc độ vật lý bán dẫn, điện áp mạch hở bằng chênh lệch năng lượng Fermi giữa các electron và lỗ trống trong vùng điện tích không gian. Đối với dòng bão hòa của diode Pn lý tưởng, bạn có thể sử dụng:

bộc lộ. trong đó q0 đại diện cho điện tích đơn vị, ni đại diện cho nồng độ hạt tải điện nội tại của chất bán dẫn, ND và NA mỗi đại diện cho nồng độ của chất cho và chất nhận, Dn và Dp mỗi chất đại diện cho hệ số khuếch tán của electron và lỗ trống, biểu thức trên giả sử n - Trường hợp cả vùng loại và vùng loại p đều rộng. Nói chung, đối với pin mặt trời sử dụng chất nền loại p, diện tích loại n rất nông và cần phải sửa đổi biểu thức trên.

Chúng tôi đã đề cập trước đó rằng khi pin mặt trời được chiếu sáng, dòng quang sẽ được tạo ra và dòng quang là dòng điện mạch kín trong mối quan hệ dòng điện-điện áp của pin mặt trời. Ở đây chúng ta sẽ mô tả ngắn gọn nguồn gốc của dòng quang điện. Tốc độ tạo ra các hạt tải điện tính theo đơn vị thể tích trên một đơn vị thời gian (đơn vị m -3 s -1 ) được xác định bởi hệ số hấp thụ ánh sáng, nghĩa là

Trong đó, α đại diện cho hệ số hấp thụ ánh sáng, là cường độ của các photon tới (hoặc mật độ thông lượng photon), và R là hệ số phản xạ, do đó nó đại diện cho cường độ của các photon tới không bị phản xạ. Ba cơ chế chính tạo ra dòng quang là: dòng khuếch tán của các electron mang thiểu số trong vùng loại p, dòng khuếch tán của các lỗ mang thiểu số trong vùng loại n, và sự trôi dạt của các electron và lỗ trống trong vùng điện tích không gian. hiện hành. Do đó, dòng quang có thể được biểu thị gần đúng như sau:

Trong số đó, Ln và Lp, mỗi Ln và Lp đại diện cho độ dài khuếch tán của electron trong vùng loại p và lỗ trống trong vùng loại n, và là chiều rộng của vùng điện tích không gian. Tóm tắt những kết quả này, chúng ta có được một biểu thức đơn giản cho điện áp mạch hở:

trong đó Vrcc biểu thị tốc độ tái hợp của các cặp electron-lỗ trống trên một đơn vị thể tích. Tất nhiên, đây là kết quả tự nhiên, vì điện áp mạch hở bằng chênh lệch năng lượng Fermi giữa electron và lỗ trống trong vùng điện tích không gian, còn chênh lệch năng lượng Fermi giữa electron và lỗ trống được xác định bởi tốc độ tạo hạt tải điện và tốc độ tái hợp .