Корзина
20 отзывов
СКИДКИ ДО 30 %   I   БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА ПО РОССИИ   IПодробнее
ПРЯМЫЕ ПОСТАВКИ ПО РОССИИ 24/7
+74952204622
8 800 777 800 5
8 800 777 800 5
Бесплатный звонок по России
+7 (495) 220 46 22
Отдел продаж
+7 (499) 700 50 79
Техническая поддержка

Солнечные батареи, принцип работы

Солнечные батареи, принцип работы

20.09.21

Солнечный элемент - это электронное устройство, которое напрямую преобразует солнечный свет в электричество. Свет, падающий на солнечный элемент, производит как ток, так и напряжение для выработки электроэнергии. Для этого процесса требуется, во-первых, материал, в котором поглощение света поднимает электрон до состояния с более высокой энергией, а во-вторых, перемещение этого электрона с более высокой энергией из солнечного элемента во внешнюю цепь. Затем электрон рассеивает свою энергию во внешней цепи и возвращается к солнечному элементу. 

Все статьи

 

Различные материалы и процессы потенциально могут удовлетворить требования к фотоэлектрическому преобразованию энергии, но на практике почти все фотоэлектрические преобразования энергии используют полупроводниковые материалы в форме pn перехода.

Основные этапы работы солнечного элемента:

  • генерация световых носителей;
  • сбор генерируемых светом переносчиков для генерации тока;
  • генерация большого напряжения на солнечном элементе;
  • рассеяние мощности в нагрузке и паразитных сопротивлениях.

 

Световой ток

Генерация тока в солнечном элементе, известная как «световой ток», включает два ключевых процесса. Первый процесс - это поглощение падающих фотонов с образованием электронно-дырочных пар. Электронно-дырочные пары будут генерироваться в солнечном элементе при условии, что падающий фотон имеет энергию больше, чем энергия запрещенной зоны. Однако электроны (в материале p- типа) и дырки (в материале n- типа) метастабильны и будут существовать в среднем только в течение периода времени, равного времени жизни неосновных носителей заряда, прежде чем они рекомбинируют. Если носитель рекомбинирует, то генерируемая светом электронно-дырочная пара теряется, и ток или мощность не могут генерироваться.

Второй процесс, сбор этих носителей pn- переходом, предотвращает эту рекомбинацию за счет использования pn- перехода для пространственного разделения электрона и дырки. Носители разделяются действием электрического поля, существующего на pn переходе. Если генерируемый светом неосновной носитель достигает pn- перехода, он перемещается через переход электрическим полем на переходе, где он теперь является основным носителем. Если эмиттер и база солнечного элемента соединены вместе,то генерируемые светом носители проходят через внешнюю цепь.

 

 

Вероятность сбора

«Вероятность сбора» описывает вероятность того, что носитель, генерируемый поглощением света в определенной области устройства, будет собран с помощью pnперехода и, следовательно, вносят вклад в генерируемый светом ток, но вероятность зависит от расстояния, которое генерируемый светом носитель должен пройти по сравнению с длиной диффузии. Вероятность сбора также зависит от свойств поверхности устройства. Вероятность сбора носителей, генерируемых в области обеднения, равна единице, поскольку электронно-дырочная пара быстро разносится электрическим полем и собирается. Вдали от перекрестка вероятность сбора падает. Если носитель генерируется на расстоянии более чем диффузионная длина от перехода, то вероятность сбора этого носителя довольно мала. Точно так же, если носитель генерируется ближе к области, такой как поверхность, с более высокой рекомбинацией, чем соединение, то носитель будет рекомбинировать.

Вероятность сбора в сочетании со скоростью генерации в солнечном элементе определяют световой ток, генерируемый солнечным элементом. Генерируемый светом ток представляет собой интеграцию по всей толщине устройства скорости генерации в определенной точке устройства, умноженную на вероятность сбора в этой точке.

Вероятность неравномерного сбора вызовет спектральную зависимость генерируемого светом тока. Например, на поверхностях вероятность сбора ниже, чем в объеме. Сравнивая скорости генерации синего, зеленого и инфракрасного света ниже, синий свет почти полностью поглощается кремнием на первых десятых долях микрона. Следовательно, если вероятность сбора на передней поверхности мала, любой синий свет в солнечном спектре не вносит вклад в генерируемый светом ток.

 

 

Квантовая эффективность

«Квантовая эффективность» (QE) - это отношение количества носителей, собранных солнечным элементом, к количеству фотонов данной энергии, падающих на солнечный элемент. Квантовая эффективность может быть задана либо как функция длины волны, либо как энергия. Если все фотоны определенной длины волны поглощаются, а образующиеся неосновные носители собираются, то квантовая эффективность на этой конкретной длине волны равна единице. Квантовая эффективность для фотонов с энергией ниже запрещенной зоны равна нулю. 

Хотя в идеале квантовая эффективность имеет квадратную форму, показанную выше, квантовая эффективность для большинства солнечных элементов снижается из-за эффектов рекомбинации. Те же механизмы, которые влияют на вероятность сбора, влияют и на квантовую эффективность. Например, пассивация передней поверхности влияет на носители, генерируемые вблизи поверхности, и, поскольку синий свет поглощается очень близко к поверхности, высокая рекомбинация передней поверхности будет влиять на «синюю» часть квантовой эффективности. Точно так же зеленый свет поглощается в объеме солнечного элемента, а малая длина диффузии влияет на вероятность сбора из объема солнечного элемента и снижает квантовую эффективность в зеленой части спектра. Квантовая эффективность может рассматриваться как вероятность сбора из-за профиля генерации одной длины волны,

«Внешний» квантовый выход кремниевого солнечного элемента включает эффект оптических потерь, таких как пропускание и отражение. Однако часто бывает полезно посмотреть на квантовую эффективность света, оставшегося после потери отраженного и прошедшего света. «Внутренняя» квантовая эффективность относится к эффективности, с которой фотоны, которые не отражаются или не выходят из клетки, могут генерировать собираемые носители. Измеряя отражение и пропускание устройства, можно скорректировать внешнюю кривую квантовой эффективности, чтобы получить внутреннюю кривую квантовой эффективности.

 

 

Спектральный отклик

Спектральный отклик концептуально аналогичен квантовой эффективности. Квантовая эффективность дает количество электронов, выводимых солнечным элементом, по сравнению с количеством фотонов, падающих на устройство, а спектральный отклик - это отношение тока, генерируемого солнечным элементом, к мощности, падающей на солнечный элемент.

Идеальный спектральный отклик ограничен на длинных волнах из-за неспособности полупроводника поглощать фотоны с энергиями ниже запрещенной зоны. Этот предел такой же, как и на кривых квантовой эффективности. Однако, в отличие от квадратной формы кривых QE, спектральный отклик уменьшается при малых длинах волн фотонов. На этих длинах волн каждый фотон имеет большую энергию, и, следовательно, отношение фотонов к мощности уменьшается. Любая энергия, превышающая энергию запрещенной зоны, не используется солнечным элементом, а вместо этого идет на нагрев солнечного элемента. Неспособность полностью использовать падающую энергию при высоких энергиях и неспособность поглощать свет низкой энергии представляет собой значительную потерю мощности в солнечных элементах, состоящих из одного pn перехода.

Спектральный отклик и квантовая эффективность используются в анализе солнечных элементов, и выбор зависит от приложения. Спектральный отклик использует мощность света на каждой длине волны, тогда как квантовая эффективность использует поток фотонов.

 

 

Фотоэлектрический эффект

Сбор генерируемых светом носителей сам по себе не приводит к выработке электроэнергии. Для выработки энергии необходимо генерировать как напряжение, так и ток. Напряжение генерируется в солнечном элементе с помощью процесса, известного как «фотоэлектрический эффект». Сбор генерируемых светом носителей pn- переходом вызывает движение электронов к стороне n- типа, а дырок - к стороне p- типа перехода. В условиях короткого замыкания не происходит накопления заряда, так как носители выходят из устройства в виде светового тока.

Однако, если генерируемые светом носители не могут покинуть солнечный элемент, то сбор генерируемых светом носителей вызывает увеличение количества электронов на стороне n- типа pn- перехода и аналогичное увеличение дырок в материал р- типа. Это разделение зарядов создает электрическое поле на стыке, которое противоположно тому, которое уже существует на стыке, тем самым уменьшая результирующее электрическое поле. Поскольку электрическое поле представляет собой барьер для потока диффузионного тока прямого смещения, уменьшение электрического поля увеличивает диффузионный ток. Достигается новое равновесие, при котором существует напряжение на pn соединение. Ток от солнечного элемента - это разница между I L и током прямого смещения. В условиях разомкнутой цепи прямое смещение перехода увеличивается до точки, в которой генерируемый светом ток точно уравновешивается диффузионным током прямого смещения, а общий ток равен нулю. Напряжение, необходимое для уравновешивания этих двух токов, называется «напряжением холостого хода».

 

Каталог светильников ФОКУС