Coa enerxía global cada vez máis tensa, a enerxía solar converteuse nun novo tipo de enerxía que se desenvolveu vigorosamente, na que máis usamos na vida é a célula solar. Os paneis solares baséanse en materiais semicondutores, o uso de materiais fotoeléctricos para absorber a enerxía luminosa despois da conversión fotoeléctrica, de xeito que xera corrente eléctrica, entón como funciona o principio de funcionamento dos paneis solares? A célula solar é un dispositivo que converte directamente a enerxía luminosa en enerxía eléctrica mediante o efecto fotoeléctrico ou efecto fotoquímico. Cando a luz solar incide nun semicondutor, parte dela reflíctese na superficie e o resto é absorbida ou transmitida polo semicondutor. Parte da luz absorbida, por suposto, convértese en calor, e algúns fotóns chocan cos electróns de valencia dos átomos que forman o semicondutor, dando lugar a pares electrón-burato. Deste xeito, a enerxía luminosa en forma de xerar pares electrón-burato en enerxía eléctrica.
Principio de funcionamento das células solares
1, efecto fotovoltaico.
A conversión de enerxía das células solares baséase no efecto fotovoltaico de unión PN de semicondutores. Como se mencionou anteriormente, cando a irradiación da luz para o dispositivo fotovoltaico semicondutor, enerxía maior que o ancho da banda prohibida de silicio de fotóns a través da película reflectora no silicio, na rexión N, zona de esgotamento e rexión P na excitación de electróns fotoxerados - pares de buratos.
Rexión de esgotamento: Inmediatamente despois de que se xeran os pares de electróns e buratos fotoxerados na rexión de esgotamento, están separados polo campo eléctrico incorporado, os electróns fotoxerados son enviados á rexión N e os buracos fotoxerados son empuxados na rexión P- rexión. Segundo a condición de aproximación do esgotamento, a concentración de portadores no límite da rexión de esgotamento aproximarase a 0, é dicir, p=n=0.
Na rexión N: despois da creación do par electrón-burato fotoxerado, o burato fotoxerado difunde cara ao límite da unión PN, e unha vez que chega ao límite da unión PN, está inmediatamente sometido ao efecto do campo eléctrico incorporado, e é tirado pola forza do campo eléctrico para facer un movemento de deriva, atravesando a rexión de esgotamento cara á rexión P, e os electróns fotoxerados (múltiples) quedan na rexión N.
Na rexión P, os electróns fotoxerados (oligóns) tamén entran na rexión N primeiro por difusión e despois por deriva, e os buratos fotoxerados (múltiples) permanecen na rexión P. Isto crea unha acumulación de cargas positivas e negativas a ambos os dous lados da unión PN, polo que a rexión N almacena un exceso de electróns e a rexión P ten un exceso de buratos. Isto dá lugar á formación dun campo eléctrico fotoxerado en dirección oposta ao campo eléctrico incorporado.
1. Ademais de compensar parcialmente o papel do campo eléctrico potencial, o campo eléctrico fotoxerado tamén fai que a rexión P se cargue positivamente, a rexión N cargada negativamente, na capa delgada entre a rexión N e a rexión P para xerar potencial eléctrico, que é o efecto voltamétrico fotoxerado. Cando a batería conectada a unha carga, a fotocorrente da área P a través do fluxo de carga ata a área N, a carga que é a potencia de saída.
2. Se a unión PN circuíto aberto, pode medir o potencial eléctrico, chamado de tensión de circuíto aberto Uoc. Para baterías de silicio cristalino, o valor típico da tensión en circuíto aberto de 0.5 ~ 0.6 V. 3.
3. Se o circuíto externo está en curtocircuíto, hai unha fotocorrente no circuíto externo que é proporcional á enerxía da luz incidente, e esta corrente chámase corrente de curtocircuíto Isc.
Factores que afectan a fotocorrente:
1. Cantos máis pares electrón-buraco xera a luz na capa de interface, maior é a corrente.
2. Canta máis enerxía luminosa absorbe a capa interfacial, maior será a capa interfacial, é dicir, canto maior sexa a superficie da célula, maior será a corrente formada na célula solar.
3. A rexión N, a rexión de esgotamento e a rexión P da célula solar poden producir portadores fotoxerados;
4. Os portadores fotoxerados en cada rexión deben atravesar a rexión de esgotamento antes da composición para contribuír á fotocorrente, polo que a solución da corrente fotoxerada real debe ter en conta os diversos factores como a xeración e composición, a difusión e a deriva en cada rexión. .
Circuíto equivalente de células solares, potencia de saída e factor de recheo
(1) Circuíto equivalente
Para describir o estado de funcionamento da batería, a batería e o sistema de carga adoitan modelarse cun circuíto equivalente.
1. fonte de corrente constante: en luz constante, unha célula solar en condicións de traballo, a súa fotocorrente non cambia co estado de funcionamento, no circuíto equivalente pódese considerar unha fonte de corrente constante.
2. Corrente escura Ibk: parte da fotocorrente flúe pola carga RL, que establece unha tensión terminal U nos dous extremos da carga, que pola súa vez está polarizada positivamente na unión PN, dando lugar a unha corrente escura Ibk no contrario. dirección da fotocorrente.
3. Deste xeito, debúxase o circuíto equivalente dunha célula solar de homounción PN ideal como se mostra na Fig.
4. Resistencia en serie RS:Debido ao contacto dos electrodos na parte frontal e na parte traseira, así como ao feito de que o propio material ten unha certa resistividade, introdúcese inevitablemente unha resistencia adicional tanto na rexión base como na capa superior. A corrente que circula pola carga a través deles causará inevitablemente perdas. Nun circuíto equivalente, o seu efecto total pódese expresar en termos dunha resistencia en serie RS.
5. Resistencia de derivación RSh:Debido á fuga nos bordos da batería e á fuga de pontes metálicas formadas en microfechas, arañazos, etc., ao facer electrodos metalizados, etc., unha parte da corrente que debería pasar pola carga é curtocircuitado, e a magnitude deste efecto pódese equiparar cunha resistencia de derivación RSh.
Cando a corrente que circula pola carga RL é I e a tensión terminal da carga RL é U, obtense:
P na ecuación é a potencia de saída obtida na carga RL cando se irradia a célula solar.
(2) Potencia de saída Cando a corrente que entra na carga RL é I e a tensión terminal da carga RL é U, obtense:
P na ecuación é a potencia de saída obtida na carga RL cando se irradia a célula solar. Cando a carga RL se cambia de 0 a infinito, a tensión de saída U cambia de 0 a U0C e, ao mesmo tempo, a corrente de saída cámbiase de ISC a 0. Así, pódese debuxar a curva característica de carga da célula solar. Calquera punto da curva chámase punto de operación, a liña entre o punto de funcionamento e a orixe chámase liña de carga, a inversa da inclinación da liña de carga é igual a RL e o punto de operación corresponde á horizontal e á vertical. coordenadas da tensión e corrente de funcionamento.
Axuste a resistencia de carga RL a un determinado valor Rm, obtén un punto M na curva, correspondente á corrente de traballo Im e o produto da tensión de traballo Um é o maior, é dicir: Pm = ImUm
O punto M denomínase xeralmente o punto de traballo óptimo (ou punto de máxima potencia) da célula solar, Im é a corrente de traballo óptima, Um é a tensión de traballo óptima, Rm é a resistencia de carga óptima e Pm é a potencia de saída máxima.
(3) Factor de recheo
1. A potencia máxima de saída e a relación (Uoc × Isc) chámase factor de recheo (FF), que se usa para medir as características de saída das células solares é un dos indicadores importantes.
2. O factor de recheo caracteriza os puntos fortes e débiles das células solares, nunha determinada irradiación espectral, canto maior sexa o FF, máis curva "cadrada", maior será a potencia de saída.
4, a eficiencia das células solares, factores que afectan a eficiencia
(1) eficiencia das células solares.
A célula solar irradiada, a potencia eléctrica de saída e a relación de potencia da luz incidente η chámase eficiencia da célula solar, tamén coñecida como eficiencia de conversión fotoeléctrica. Xeralmente refírese á máxima eficiencia de conversión de enerxía cando o circuíto externo está conectado á resistencia de carga óptima RL.
Na ecuación anterior, se At substitúese pola área efectiva Aa (tamén coñecida como área activa), é dicir, da área total deducida da área da área gráfica da liña da cuadrícula, para calcular a eficiencia para ser maior , que hai que ter en conta ao ler literatura nacional e estranxeira.
Prince of the United States calculou por primeira vez a eficiencia teórica das células solares de silicio para o 21.7%. Década de 1970, Wolf (M. Wolf) fixo unha discusión exhaustiva, pero tamén obtivo a eficiencia teórica das células solares de silicio nas condicións espectrais AM0 dun 20% ao 22%, e posteriormente modificouna ao 25% (condicións espectrais AM1.0) .
Para estimar a eficiencia teórica dunha célula solar, débense contabilizar todas as posibles perdas que poidan producirse entre a enerxía luminosa incidente e a enerxía eléctrica de saída. Algunhas destas perdas están relacionadas con materiais e procesos, mentres que outras están ditadas por principios físicos fundamentais.
(2) Factores que afectan á eficiencia
En resumo, para mellorar a eficiencia das células solares, hai que mellorar os tres parámetros básicos, a tensión de circuíto aberto Uoc, a corrente de curtocircuíto ISC e o factor de recheo FF. E estes tres parámetros adoitan estar entrelazados, se un aumento unilateral dun deles, pode, polo tanto, reducir o outro, de xeito que a eficiencia total non só non mellorou senón que tamén diminuíu. Polo tanto, na selección de materiais, o proceso de deseño debe considerarse de forma holística e esforzarse por maximizar o produto dos tres parámetros.
1. Ancho de banda material.
A tensión de circuíto aberto UOC aumenta co aumento do ancho de banda de enerxía Eg, pero por outra banda, a densidade de corrente de curtocircuíto diminúe co aumento do ancho de banda de enerxía Eg. Como resultado, pódese esperar que se produza un pico na eficiencia da célula solar nun período de Ex. Pódese esperar a maior eficiencia das células solares feitas de materiais con valores Eg entre 1.2 e 1.6 eV. Prefírese un semicondutor directo de banda separada para as células de película fina porque absorbe fotóns preto da superficie.
2. Temperatura.
A lonxitude de difusión dun oligon aumenta lixeiramente coa temperatura, polo que a corrente fotovoltaica tamén aumenta coa temperatura, pero a UOC diminúe drasticamente coa temperatura. O factor de recheo diminúe, polo que a eficiencia de conversión diminúe co aumento da temperatura.
3. Irradiación.
A corrente de curtocircuíto aumenta linealmente co aumento da irradiación e a potencia máxima segue aumentando. Centrar a luz solar nunha célula solar pode facer que unha pequena célula solar produza unha gran cantidade de electricidade.
4. Concentración de dopaxe.
Outro factor que ten un efecto significativo na UOC é a concentración de dopaxe dos semicondutores. Canto maior é a concentración de dopaxe, maior é a UOC. Non obstante, cando a concentración de impurezas no silicio é superior a 1018/cm3 chámase altamente dopada, debido ao alto dopaxe causado pola contracción da banda prohibida, as impurezas non poden ionizarse completamente e o descenso da vida útil do oligon e outros fenómenos referidos colectivamente. como o alto efecto dopaxe, tamén debe evitarse.
5. Vida útil do composto portador fotoxerado.
Para o semicondutor da célula solar, canto maior sexa a vida do complexo portador fotoxerado, maior será a corrente de curtocircuíto. A clave para conseguir unha longa vida é evitar a formación de centros compostos no proceso de preparación do material e produción de células. No proceso, procesos apropiados e moitas veces relacionados, poden facer que o centro composto se elimine e estenda a vida útil.
6. Taxa de composición superficial.
Unha baixa taxa de composto de superficie axuda a mellorar o Isc. A taxa composta na superficie frontal é difícil de medir e moitas veces asúmese que é infinita. Un tipo de célula chamado campo posterior (BSF) está deseñado para difundir unha capa adicional de P+ na parte traseira da célula antes de depositar o contacto metálico.
7. resistencia en serie e liñas de reixa metálica.
A resistencia da serie provén do chumbo, da reixa de contacto metálica ou da resistencia do corpo da célula, mentres que a liña da reixa metálica non pode atravesar a luz solar, para maximizar o Isc, a liña de reixa metálica debe ocupar a área máis pequena. Xeralmente fai a liña de reixa metálica nunha forma densa e delgada, pode reducir a resistencia da serie, mentres aumenta a área de transmisión de luz da batería.
8. Adopción de deseño de células de veludo e selección de película de alta calidade que reduce a reflexión.
Dependendo da estrutura de cono cadrado en forma de pirámide de superficie, as reflexións múltiples da luz non só reducen a perda de reflexión, senón que tamén cambian a dirección da luz no silicio cara adiante e estende o rango óptico, aumentando o rendemento do portador fotoxerado; superficie de veludo en zigzag e aumentar a área da unión PN, aumentando así a taxa de recollida de portadores fotoxerados, de xeito que a corrente de curtocircuíto aumentou entre un 5% e un 10% e mellora a resposta á luz vermella da batería.
9. O efecto das sombras nas células solares.
As células solares poden sufrir unha irradiación irregular debido á sombra, etc., e a potencia de saída redúcese moito.
Na actualidade, a aplicación de células solares do campo militar, aeroespacial na industria, comercio, agricultura, comunicacións, electrodomésticos e servizos públicos e outros sectores, especialmente pode descentralizarse en áreas remotas, montañas, desertos, illas e zonas rurais para para aforrar o custo das liñas de transmisión moi caras. Non obstante, na fase actual, o seu custo aínda é moi alto, envía 1 kW de electricidade para investir decenas de miles de dólares, polo que o uso a gran escala aínda está suxeito a restricións económicas.
Non obstante, a longo prazo, coa mellora da tecnoloxía de fabricación de paneis solares e a invención de novos dispositivos de conversión de luz-electricidade, a protección do medio ambiente e a enorme demanda de enerxía limpa renovable, as células solares seguirán sendo o uso da radiación solar. a enerxía é unha forma máis práctica e viable de utilizar a enerxía do sol para o futuro do uso a gran escala da enerxía solar por parte da humanidade para abrir unha ampla gama de perspectivas.
