Principis de les plaques solars i com funcionen

Principis de les plaques solars i com funcionen

Amb l'energia global cada cop més tensa, l'energia solar s'ha convertit en un nou tipus d'energia que s'ha desenvolupat enèrgicament, en la qual més utilitzem a la vida és la cèl·lula solar. Panells solars Es basen en materials semiconductors, l'ús de materials fotoelèctrics per absorbir l'energia de la llum després de la conversió fotoelèctrica, de manera que generi corrent elèctric, així que com funciona el principi de funcionament dels panells solars? La cèl·lula solar és un dispositiu que converteix directament l'energia lluminosa en energia elèctrica mitjançant l'efecte fotoelèctric o efecte fotoquímic. Quan la llum solar arriba a un semiconductor, una part es reflecteix a la superfície i la resta és absorbida o transmesa pel semiconductor. Una part de la llum absorbida, per descomptat, es converteix en calor, i alguns fotons xoquen amb els electrons de valència dels àtoms que formen el semiconductor, donant lloc a parells electró-forat. D'aquesta manera, l'energia lluminosa en forma de generació de parells electró-forat en energia elèctrica.

Principi de funcionament de la cèl·lula solar

1, efecte fotovoltaic.

La conversió d'energia de les cèl·lules solars es basa en l'efecte fotovoltaic de la unió PN de semiconductors. Com s'ha esmentat anteriorment, quan la irradiació de la llum al dispositiu fotovoltaic semiconductor, l'energia més gran que l'amplada de la banda prohibida de silici de fotons a través de la pel·lícula reflectant al silici, a la regió N, la zona d'esgotament i la regió P en l'excitació dels electrons fotogenerats - parells de forats.

Regió d'esgotament: immediatament després que es generin els parells d'electrons i forats fotogenerats a la regió d'esgotament, estan separats pel camp elèctric integrat, els electrons fotogenerats s'envien a la regió N i els forats fotogenerats s'empenyen a la P- regió. Segons la condició d'aproximació d'esgotament, la concentració de portadors al límit de la regió d'esgotament s'aproxima a 0, és a dir, p=n=0.

A la regió N: després de la creació del parell electró-forat fotogenerat, el forat fotogenerat es difon cap al límit de la unió PN i, un cop arriba al límit de la unió PN, està immediatament sotmès a l'efecte del camp elèctric integrat, i és estirat per la força del camp elèctric per fer un moviment a la deriva, travessant la regió d'esgotament cap a la regió P, i els electrons fotogenerats (múltiples) queden a la regió N.

A la regió P, els electrons fotogenerats (oligons) també entren a la regió N primer per difusió i després per deriva, i els forats fotogenerats (múltiples) romanen a la regió P. Això crea una acumulació de càrregues positives i negatives a ambdós costats de la unió PN, de manera que la regió N emmagatzema un excés d'electrons i la regió P té un excés de forats. Això dóna lloc a la formació d'un camp elèctric fotogenerat en sentit contrari al camp elèctric incorporat.

1. A més de compensar parcialment el paper del camp elèctric potencial, el camp elèctric fotogenerat també fa que la regió P estigui carregada positivament, la regió N amb càrrega negativa, a la capa fina entre la regió N i la regió P per generar potencial elèctric, que és l'efecte voltamètric fotogenerat. Quan la bateria es connecta a una càrrega, el fotocorrent des de l'àrea P a través del flux de càrrega fins a l'àrea N, la càrrega que és la potència de sortida.

2. Si el circuit obert de la unió PN, podeu mesurar el potencial elèctric, anomenat voltatge de circuit obert Uoc. Per a les bateries de silici cristal·lí, el valor típic de la tensió de circuit obert de 0.5 ~ 0.6 V. 3.

3. Si el circuit extern està en curtcircuit, hi ha un fotocorrent al circuit extern que és proporcional a l'energia de la llum incident, i aquest corrent s'anomena corrent de curtcircuit Isc.

Factors que afecten el fotocorrent:

1. Com més parells d'electró-forat es generin a la capa d'interfície per la llum, més gran serà el corrent.

2. Com més energia lluminosa absorbeixi la capa interfacial, més gran serà la capa interfacial, és a dir, com més gran sigui l'àrea de la cèl·lula, més gran serà el corrent que es forma a la cèl·lula solar.

3. La regió N, la regió d'esgotament i la regió P de la cèl·lula solar poden produir portadors fotogenerats;

4. Els portadors fotogenerats de cada regió han de travessar la regió d'esgotament abans de la composició per tal de contribuir al fotocorrent, de manera que la solució del corrent fotogenerat real ha de tenir en compte els diferents factors com ara la generació i la composició, la difusió i la deriva a cada regió. .

Circuit equivalent de cèl·lules solars, potència de sortida i factor d'ompliment

(1) Circuit equivalent

Per descriure l'estat de funcionament de la bateria, sovint es modela la bateria i el sistema de càrrega amb un circuit equivalent.

1. font de corrent constant: en llum constant, una cèl·lula solar en condicions de treball, el seu fotocorrent no canvia amb l'estat de funcionament, en el circuit equivalent es pot considerar com una font de corrent constant.

2. Corrent fosc Ibk: Una part del fotocorrent circula per la càrrega RL, que estableix una tensió terminal U als dos extrems de la càrrega, que al seu torn està polaritzada positivament a la unió PN, donant lloc a un corrent fosc Ibk al contrari. direcció del fotocorrent.

3. D'aquesta manera, es dibuixa el circuit equivalent d'una cèl·lula solar d'homounció PN ideal tal com es mostra a la Fig.

4. Resistència sèrie RS: A causa del contacte dels elèctrodes a la part davantera i posterior, així com al fet que el propi material té una certa resistivitat, inevitablement s'introdueix una resistència addicional tant a la regió base com a la capa superior. El corrent que circula per la càrrega a través d'ells provocarà inevitablement pèrdues. En un circuit equivalent, el seu efecte total es pot expressar en termes d'una resistència en sèrie RS.

5. Resistència a la derivació RSh:A causa de les fuites a les vores de la bateria i de les fuites dels ponts metàl·lics formats en microesquerdes, rascades, etc., en fer elèctrodes metal·litzats, etc., una part del corrent que hauria d'haver passat per la càrrega és curtcircuitat, i la magnitud d'aquest efecte es pot equiparar amb una resistència de derivació RSh.

Quan el corrent que flueix a la càrrega RL és I i la tensió terminal de la càrrega RL és U, s'obté:

P de l'equació és la potència de sortida obtinguda a la càrrega RL quan s'irradia la cèl·lula solar.

(2) Potència de sortida Quan el corrent que flueix a la càrrega RL és I i la tensió terminal de la càrrega RL és U, s'obté:

P de l'equació és la potència de sortida obtinguda a la càrrega RL quan s'irradia la cèl·lula solar. Quan la càrrega RL es canvia de 0 a infinit, la tensió de sortida U es canvia de 0 a U0C i, al mateix temps, el corrent de sortida es canvia de ISC a 0. Així es pot dibuixar la corba característica de càrrega de la cèl·lula solar. Qualsevol punt de la corba s'anomena punt de funcionament, la línia entre el punt de funcionament i l'origen s'anomena línia de càrrega, la inversa del pendent de la línia de càrrega és igual a RL i el punt de funcionament corresponent a l'horitzontal i vertical. coordenades de la tensió i el corrent de funcionament.

Ajusteu la resistència de càrrega RL a un valor determinat Rm, obteniu un punt M a la corba, corresponent al corrent de treball Im i el producte de tensió de treball Um és el més gran, és a dir: Pm = ImUm

El punt M s'anomena generalment el punt de treball òptim (o punt de potència màxima) de la cèl·lula solar, Im és el corrent de treball òptim, Um és la tensió de treball òptima, Rm és la resistència de càrrega òptima i Pm és la potència de sortida màxima.

(3) Factor d'ompliment

1. La potència de sortida màxima i la relació (Uoc × Isc) s'anomena factor d'ompliment (FF), que s'utilitza per mesurar les característiques de sortida de les cèl·lules solars és un dels indicadors importants.

2. El factor d'ompliment caracteritza els punts forts i febles de les cèl·lules solars, en una certa irradiància espectral, com més gran sigui el FF, més corba "quadrada", més gran serà la potència de sortida.

4, l'eficiència de les cèl·lules solars, factors que afecten l'eficiència

(1) eficiència de les cèl·lules solars.

La cèl·lula solar irradiada, la potència elèctrica de sortida i la relació de potència de llum incident η s'anomena eficiència de la cèl·lula solar, també coneguda com a eficiència de conversió fotoelèctrica. Generalment es refereix a la màxima eficiència de conversió d'energia quan el circuit extern està connectat a la resistència de càrrega òptima RL.

A l'equació anterior, si se substitueix At per l'àrea efectiva Aa (també coneguda com a àrea activa), és a dir, de l'àrea total deduïda de l'àrea de l'àrea gràfica de la línia de la quadrícula, per tal de calcular l'eficiència per ser més alta. , que cal tenir en compte en llegir literatura nacional i estrangera.

Prince of the United States va calcular per primera vegada l'eficiència teòrica de les cèl·lules solars de silici per al 21.7%. 1970, Wolf (M. Wolf) ha fet una discussió exhaustiva, però també va obtenir l'eficiència teòrica de les cèl·lules solars de silici en les condicions espectrals AM0 d'un 20% a un 22%, i més tard la va modificar al 25% (condicions espectrals AM1.0) .

Per estimar l'eficiència teòrica d'una cèl·lula solar, s'han de tenir en compte totes les pèrdues possibles que es puguin produir entre l'energia lluminosa incident i l'energia elèctrica de sortida. Algunes d'aquestes pèrdues estan relacionades amb materials i processos, mentre que altres estan dictades per principis físics fonamentals.

(2) Factors que afecten l'eficiència

En resum, per millorar l'eficiència de les cèl·lules solars, cal millorar els tres paràmetres bàsics, la tensió de circuit obert Uoc, el corrent de curtcircuit ISC i el factor d'ompliment FF. I aquests tres paràmetres sovint s'entrellacen, si un augment unilateral d'un d'ells, per tant, pot reduir l'altre, de manera que l'eficiència total no només no millora sinó que també disminueix. Per tant, en la selecció de materials, el procés de disseny s'ha de considerar de manera holística i s'ha d'esforçar per maximitzar el producte dels tres paràmetres.

1. Ample de banda material.

La tensió de circuit obert UOC augmenta amb l'augment de l'amplada de banda d'energia Eg, però d'altra banda, la densitat de corrent de curtcircuit disminueix amb l'augment de l'amplada de banda d'energia Eg. Com a resultat, es pot esperar que es produeixi un pic en l'eficiència de les cèl·lules solars a un entorn definit per exemple. La màxima eficiència es pot esperar de les cèl·lules solars fetes de materials amb valors Eg entre 1.2 i 1.6 eV. Per a les cèl·lules de pel·lícula fina es prefereix un semiconductor de banda intercalada directa perquè absorbeix fotons a prop de la superfície.

2. Temperatura.

La longitud de difusió d'un oligon augmenta lleugerament amb la temperatura, de manera que el corrent fotovoltaic també augmenta amb la temperatura, però la UOC disminueix bruscament amb la temperatura. El factor d'ompliment disminueix, de manera que l'eficiència de conversió disminueix amb l'augment de la temperatura.

3. Irradiància.

El corrent de curtcircuit augmenta linealment amb l'augment de la irradiància i la potència màxima continua augmentant. Centrar la llum solar en una cèl·lula solar pot fer que una petita cèl·lula solar produeixi una gran quantitat d'electricitat.

4. Concentració de dopatge.

Un altre factor que té un efecte significatiu en la UOC és la concentració de dopatge dels semiconductors. Com més gran és la concentració de dopatge, més alta és la UOC. Tanmateix, quan la concentració d'impureses en silici és superior a 1018/cm3 s'anomena altament dopat, a causa de l'elevat dopatge causat per la contracció de la banda prohibida, les impureses no es poden ionitzar completament i la disminució de la vida útil de l'oligon i altres fenòmens referits col·lectivament. com l'alt efecte dopatge, també s'ha d'evitar.

5. Vida composta portadora fotogenerada.

Per al semiconductor de la cèl·lula solar, com més llarga sigui la vida del complex portador fotogenerat, més gran serà el corrent de curtcircuit. La clau per aconseguir una llarga vida és evitar la formació de centres compostos en el procés de preparació del material i producció de cèl·lules. En el procés, processos apropiats i sovint relacionats, poden fer que el centre compost s'elimini i allarga la vida.

6. Taxa de composició superficial.

Una baixa taxa de compost de superfície ajuda a millorar Isc. La taxa composta a la superfície frontal és difícil de mesurar i sovint se suposa que és infinita. Un tipus de cèl·lula anomenat camp posterior (BSF) està dissenyat per difondre una capa addicional de P+ a la part posterior de la cèl·lula abans de dipositar el contacte metàl·lic.

7. Resistència en sèrie i línies de reixeta metàl·lica.

La resistència de la sèrie prové del plom, la reixeta de contacte metàl·lica o la resistència del cos de la cèl·lula, mentre que la línia de la reixeta metàl·lica no pot passar a través de la llum solar, per tal de maximitzar l'Isc, la línia de la reixeta metàl·lica hauria d'ocupar l'àrea més petita. En general, feu que la línia de graella metàl·lica tingui una forma densa i prima, podeu reduir la resistència de la sèrie, alhora que augmenta l'àrea de transmissió de la llum de la bateria.

8. Adopció del disseny de cèl·lules de vellut i selecció de pel·lícules d'alta qualitat que redueixen la reflexió.

Basant-se en l'estructura de con quadrat en forma de piràmide de superfície, múltiples reflexos de la llum, no només redueix la pèrdua de reflexió, sinó que també canvia la direcció de la llum en el silici cap endavant i amplia el rang òptic, augmentant el rendiment del portador fotogenerat; La superfície de vellut en zig-zagues augmenta l'àrea de la unió PN, augmentant així la taxa de recollida de portadors fotogenerats, de manera que el corrent de curtcircuit augmenta entre un 5% i un 10% i millora la resposta a la llum vermella de la bateria.

9. L'efecte de les ombres sobre les cèl·lules solars.

Les cèl·lules solars poden patir una irradiació desigual a causa de l'ombra, etc., i la potència de sortida es redueix molt.

Actualment, l'aplicació de cèl·lules solars de l'àmbit militar, aeroespacial a la indústria, comerç, agricultura, comunicacions, electrodomèstics i serveis públics i altres sectors, especialment es pot descentralitzar a zones remotes, muntanyes, deserts, illes i zones rurals per tal de per estalviar el cost de línies de transmissió molt cares. No obstant això, en l'etapa actual, el seu cost encara és molt elevat, envieu 1 kW d'electricitat per invertir desenes de milers de dòlars, de manera que l'ús a gran escala encara està subjecte a limitacions econòmiques.

Tanmateix, a la llarga, amb la millora de la tecnologia de fabricació de panells solars i la invenció de nous dispositius de conversió de llum-electricitat, la protecció del medi ambient i la gran demanda d'energia neta renovable, les cèl·lules solars seguiran utilitzant la radiació solar. L'energia és una manera més pràctica i factible d'utilitzar l'energia solar per al futur de l'ús a gran escala de l'energia solar per a la humanitat per obrir un ampli ventall de perspectives.

Una central elèctrica portàtil pot fer funcionar una nevera?

Una central elèctrica portàtil pot fer funcionar una nevera?

Aquest panell solar genera electricitat a la nit, com ho fa?

Aquest panell solar genera electricitat a la nit, com ho fa?

Contingut buit. Seleccioneu l'article per previsualitzar-lo

Aconsegueix la teva solució gratuïta

Per al teu projecte

Podem personalitzar la vostra pròpia solució de forma gratuïta

contacti'ns