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Parámetros de caracterización y efecto fotovoltaico de las luces solares al aire libre

2021-08-04 19:02:23

Efecto fotovoltaico de la luz solar al aire libre

Según la conductividad, los objetos se pueden dividir aproximadamente en conductores, semiconductores y aisladores. El efecto de un haz de luz solar sobre los semiconductores es muy diferente al de otros objetos. Hay muchos electrones libres en los metales, y el cambio de conductividad eléctrica causado por la luz solar puede ser completamente ignorado; El aislante no puede excitar más electrones para participar en la conducción a muy alta temperatura; La fuerza de unión del semiconductor con conductividad entre el metal y el aislante en los electrones del cuerpo es mucho menor que la del aislante. La energía de fotones de la luz solar visible puede excitar su unión al estado conductor libre, que es el efecto fotoeléctrico de los semiconductores. Cuando hay un campo eléctrico en el área local del semiconductor, se acumularán los portadores fotogenerados, que es muy diferente al que no tiene un campo eléctrico. El voltaje fotoeléctrico se generará en ambos lados del campo eléctrico debido a la acumulación de carga, que es el efecto de voltio fotogenerado, conocido como efecto fotovoltaico. Hablemos de semiconductores en detalle.

Los materiales semiconductores puros se denominan semiconductores intrínsecos. Cuando los elementos de impureza del grupo v (fósforo, arsénico, etc.) se dopan en el material semiconductor intrínseco, y la impureza proporciona electrones para que la concentración de electrones sea mayor que la concentración de agujeros, se forma material semiconductor de tipo n y la impureza se llama donante; En este momento, La concentración de electrones es mayor que la concentración de agujeros, que es el portador mayoritario, mientras que la concentración de agujeros es más baja, que es el portador minoritario. De manera similar, los elementos de impureza del grupo III (boro, etc.) se dopan en el material semiconductor, de modo que la concentración de agujeros es mayor que la concentración de electrones y el silicio cristalino se convierte en un semiconductor de tipo p. Por ejemplo, tomando el silicio como ejemplo, agregar un poco de boro, aluminio, galio y otras impurezas en silicio de alta pureza es un semiconductor de tipo p; Agregar un poco de fósforo, arsénico, antimonio y otras impurezas es un semiconductor de tipo n. En los semiconductores de tipo n, los electrones que no son de equilibrio se denominan portadores mayoritarios que no son de equilibrio, y los agujeros que no son de equilibrio se denominan portadores minoritarios de equilibrio. Lo contrario ocurre con los semiconductores de tipo p. En los dispositivos semiconductores, los portadores minoritarios en equilibrio a menudo juegan un papel importante.

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Tanto los materiales semiconductores de tipo n como los materiales semiconductores de tipo p son eléctricamente neutrales cuando existen de forma independiente. La carga de impurezas ionizadas es igual a la carga total de los portadores. Cuando se conectan dos tipos de materiales semiconductores, para materiales semiconductores de tipo n, los electrones son la mayoría de los portadores con alta concentración; En los semiconductores de tipo p, los electrones son portadores minoritarios con baja concentración. Debido a la existencia de gradiente de concentración, se une a la difusión eléctrica, es decir, los electrones se difunden de material semiconductor de tipo n de alta concentración a material semiconductor de tipo p de baja concentración, y se forma una unión PN en la interfaz entre el tipo n semiconductor y semiconductor de tipo p. Cerca de la interfaz de unión PN, la concentración de electrones en el semiconductor de tipo n disminuye gradualmente, mientras que los electrones se difunden en el compuesto semiconductor de tipo p con la mayoría de los agujeros portadores y desaparecen. Por lo tanto, cerca de la interfaz del semiconductor de tipo n, debido a la disminución de la mayor parte de la concentración de electrones portadores, el número de cargas positivas de impurezas ionizadas es mayor que la concentración de electrones restante, y aparece una región de carga positiva. De manera similar, en semiconductores de tipo p, debido a la difusión de agujeros de semiconductores de tipo p a semiconductores de tipo n, el número de cargas negativas de impurezas ionizadas cerca de la interfaz es mayor que la concentración de agujero restante,Y aparece una región de carga negativa. Esta región de carga positiva y negativa se denomina región de carga espacial de la unión PN, formando un campo eléctrico de semiconductor de tipo n a semiconductor de tipo p, que se denomina campo eléctrico incorporado, también conocido como campo eléctrico de barrera. Debido a que la resistencia aquí es particularmente alta, también se llama capa de barrera. Este campo eléctrico resiste la difusión de los multipones en las dos regiones y ayuda a la deriva de los electrones minoritarios hasta que la corriente de difusión alcanza el equilibrio cuando es igual a la corriente de deriva, y se establece un campo eléctrico incorporado estable en ambos lados de la interfaz.. La llamada difusión significa que bajo la influencia de un campo eléctrico externo, un electrón libre que se mueve aleatoriamente tiene un movimiento acelerado en la dirección opuesta al campo eléctrico, y su velocidad aumenta continuamente con el tiempo. Además del movimiento de deriva, los portadores en semiconductores también pueden fluir debido a la difusión. Cuando las partículas, como las moléculas de gas, están demasiado concentradas, se dispersarán si no están limitadas. La razón básica de este fenómeno es el movimiento térmico irregular de estas partículas. Con el progreso de la difusión, se amplía la región de carga espacial y se mejora el campo eléctrico interno. Debido a que el papel del campo eléctrico interno es obstaculizar la difusión de múltiples hijos y promover la deriva del hijo de la minoría, cuando el movimiento de difusión y el movimiento de deriva alcanzan un equilibrio dinámico, se formará una unión PN estable. La unión PN es muy delgada con pocos electrones y agujeros,Pero hay iones cargados positivamente cerca del lado de tipo n e iones cargados negativamente cerca del lado de tipo p. Debido a la falta de portadores en la región de carga espacial, la unión PN también se llama región de capa de agotamiento.

Cuando se ilumina el semiconductor con unión PN, aumenta el número de electrones y agujeros. Bajo la acción del campo eléctrico local de la unión, los electrones en la región P se mueven a la región n y los agujeros en la región N se mueven a la región p. De esta manera, hay acumulación de carga en ambos extremos de la unión y se forma una diferencia de potencial.

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La célula que convierte directamente la energía de la luz en energía eléctrica mediante el uso de efecto fotovoltaico se llama célula solar (célula solar para abreviar). El llamado efecto fotovoltaico es el fenómeno de que la fuerza electromotriz se genera en ambos extremos después de que el sistema absorbe la energía de la luz cuando se irradia luz de longitud de onda apropiada en el semiconductor.

Cuando se ilumina la unión PN, tanto la absorción intrínseca como la extrínseca de los fotones producirán portadores fotogenerados, pero solo unos pocos portadores excitados por la absorción intrínseca pueden causar el efecto fotovoltaico. Debido a que los agujeros fotogenerados en la región p y los electrones fotogenerados en la región N pertenecen a multipons, están bloqueados por la barrera potencial y no pueden cruzar la unión. Solo los electrones fotogenerados en la región p y los agujeros fotogenerados en la región N y el par de agujeros de electrones (minoritario) en la región de unión pueden derivar a través de la unión bajo la acción del campo eléctrico incorporado cuando se difunden cerca de la unión eléctrica. campo. Los electrones fotogenerados se llevan a la región n y los agujeros fotogenerados se tiran a la región p, es decir, los pares de agujeros de electrones están separados por un campo eléctrico incorporado. Esto conduce a la acumulación de electrones fotogenerados cerca del límite de la región N y agujeros fotogenerados cerca del límite de la región P. Generan un campo eléctrico fotogenerado opuesto al campo eléctrico incorporado de la unión PN de equilibrio térmico, y su dirección es de la región P a la región n. Este campo eléctrico reduce la barrera potencial, es decir, la diferencia de potencial fotogenerada, positivo p-terminal y negativo N-terminal. Por lo tanto, la corriente de unión fluye desde la región P a la región n, y su dirección es opuesta a la corriente fotogenerada.

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De hecho, no todos los portadores fotogenerados generados contribuyen a la corriente fotogenerada. Establezca un agujero hueco en la zona n en la vida útil   Y tau; P La distancia de difusión de tiempo de P es L P , Y la vida útil de los electrones en la región P es   Y tau; P La distancia de difusión de tiempo de n es L N . L N L P = L es mucho más grande que el ancho de la unión PN en sí, por lo que se puede considerar que los portadores fotogenerados generados dentro de la distancia de difusión promedio l cerca de la unión contribuyen a la corriente fotogenerada, Mientras que los pares de orificios de electrones cuyas posiciones están a más de l de la región de unión se componerán en el proceso de difusión y no tendrán ninguna contribución al efecto fotoeléctrico de la unión PN.

Para comprender el proceso anterior, lo siguiente presenta brevemente los conceptos de duración de la transmisión de descarga, movilidad y longitud de difusión.

La vida útil de la portadora se refiere a la vida útil promedio de las portadoras sin equilibrio antes de la recombinación, que es la abreviatura de la vida útil de la portadora sin equilibrio. En el caso del equilibrio térmico, la tasa de generación de electrones y agujeros es igual a la tasa de recombinación y sus concentraciones mantienen el equilibrio. Bajo la acción de condiciones externas (como la luz solar), se generarán portadores adicionales de no equilibrio, es decir, pares de agujeros de electrones; Después de que se cancelen las condiciones externas, porque la tasa de recombinación es mayor que la tasa de generación, los portadores de no equilibrio desaparecerán gradualmente y volverán al estado de equilibrio térmico. La ley de decadencia de la concentración de portadores que no están en equilibrio con el tiempo generalmente obedece a la relación exponencial. En los dispositivos semiconductores, la vida útil de la portadora minoritaria sin equilibrio se denomina vida útil de la portadora minoritaria para abreviar.

El proceso de recombinación se puede dividir aproximadamente en dos tipos: la transición directa de electrones entre la banda de conducción y la banda de valencia, lo que resulta en la desaparición de un par de agujeros de electrones, que se llama recombinación directa; Los pares de orificios de electrones también se pueden combinar a través del nivel de energía en la banda prohibida. (En recombinación), que se llama recombinación indirecta. La vida útil de la portadora minoritaria de cada semiconductor no es un valor fijo, variará mucho con la composición química y la estructura cristalina. La movilidad se refiere a la velocidad de deriva promedio de los portadores (electrones y agujeros) bajo la acción del campo eléctrico de la unidad, es decir, una medida de la velocidad de los portadores bajo la acción del campo eléctrico. Cuanto más rápido se mueven, mayor es la movilidad; movimiento lento y baja movilidad. En el mismo material semiconductor, la movilidad de diferentes tipos de portadores también es diferente. Generalmente, la movilidad de los electrones es más alta que la de los agujeros. Bajo la acción de un campo eléctrico constante, la velocidad de deriva promedio de los portadores solo puede tomar un cierto valor, lo que significa que los portadores en semiconductores no se aceleran sin ninguna resistencia. De hecho, en el proceso de su movimiento térmico, los portadores chocan constantemente con la red, las impurezas y los defectos, y cambian la dirección de su movimiento de manera irregular, es decir, se produce la dispersión. Los cristales inorgánicos no son cristales ideales, mientras que los semiconductores orgánicos son esencialmente amorfos, por lo que hay dispersión de celosía y dispersión de impurezas ionizada, por lo que la movilidad del portador solo puede tener un cierto valor.

Porque los operadores minoritarios tienen cierta vida útil, es decir, la vida útil de los operadores minoritarios. Por lo tanto, en el proceso de difusión, los portadores minoritarios se difundirán y se componerán al mismo tiempo. Después de una cierta distancia, los portadores minoritarios desaparecerán, que es la llamada longitud de difusión.

Absorción de luz solar de semiconductores. La absorción de la luz solar por los semiconductores está determinada principalmente por la banda prohibida de los materiales semiconductores. Para los semiconductores con una cierta banda prohibida, los fotones de baja energía con baja frecuencia tienen un pequeño grado de absorción de luz, y la mayor parte de la luz puede penetrar; A medida que aumenta la frecuencia, la capacidad de absorber la luz aumenta bruscamente. De hecho, la absorción de luz de los semiconductores está determinada por varios factores. Aquí, solo se considera la transición entre las bandas de energía electrónica utilizadas en las células solares. Generalmente, cuanto más ancho es el espacio de banda, menor es el coeficiente de absorción de una cierta longitud de onda. Además, la absorción de la luz también depende de la densidad de los estados de la banda de conducción y la banda de valencia.

Cuando diferentes tipos de semiconductores están en contacto (formando uniones PN) o semiconductores están en contacto con metales, la difusión se produce debido a la diferencia de concentración de electrones (o agujeros) y se forma una barrera potencial en el contacto. Por lo tanto, este tipo de contacto tiene una conductividad única. Usando la conductividad unidireccional de la unión PN, se pueden hacer dispositivos semiconductores con diferentes funciones, como diodo, triodo, tiristor, etc. La unión PN también tiene muchas otras propiedades básicas importantes, incluidas las características de voltaje de corriente, efecto de capacitancia, efecto de túnel, efecto de avalancha, características de conmutación y efecto fotovoltaico. Las características de voltaje actual, también conocidas como características rectificadoras o características de amperios de voltios, son las características más básicas de la unión PN, mientras que la conversión fotoeléctrica solar es el efecto fotovoltaico generado por el campo eléctrico incorporado de la unión PN.

Parámetros de caracterización de las células solares

El principio de funcionamiento de las células solares se basa en el efecto fotovoltaico. Cuando la luz irradia la célula solar, se generará una corriente IPH fotogenerada de n región a región p. Al mismo tiempo, debido a las características del diodo de unión PN, hay una corriente de diodo directo I D , Que es opuesta a la corriente fotogenerada de la región P a la región n. Por lo tanto, la corriente realmente obtenida I es

I = I Ph   -Yo D  = I Ph   -Yo 0  [Exp (qU D /Nk B T)-1.

Donde,   U D  Es el voltaje de unión;  I 0  Es la corriente de saturación inversa del diodo;  I Ph   Es una corriente fotogenerada proporcional a la intensidad de la luz incidente, y su coeficiente proporcional está determinado por la estructura y las características del material de las células solares; N es el coeficiente ideal (valor n), que es un parámetro que representa las características de la unión PN, generalmente entre 1 y 2; Q es la carga del electrón;  K B  Es la constante de Boltzmann; T es la temperatura.

Si la resistencia de la serie R S  De la célula solar se ignora, U D  Es el voltaje terminal U de la célula solar, entonces

I = I Ph   -Yo 0  [Exp (qU/nk B T)-1.

Cuando el extremo de salida de la célula solar está cortocircuitado, U = 0 (U D  & Asimp; 0), la corriente de cortocircuito se puede obtener a partir de la fórmula

I Sc = I Ph

En resumen, la corriente de cortocircuito es la corriente máxima medida cuando la célula solar está cortocircuitada desde el exterior, expresada en I Sc ... Es la corriente máxima que la fotocélula puede obtener en el circuito externo bajo una cierta intensidad de luz. Sin considerar otras pérdidas, la corriente de cortocircuito de la célula solar es igual a la corriente fotogenerada I Ph , Que es directamente proporcional a la intensidad de la luz incidente.

Cuando el terminal de salida de la célula solar es circuito abierto, I = 0, y el voltaje de circuito abierto se puede obtener de la fórmula

U Oc = Nk B T/q * In(I Sc /I 0 1)

En pocas palabras, el voltaje de circuito abierto significa que la célula solar iluminada está en el estado de circuito abierto, y los portadores fotogenerados solo pueden acumularse en ambos extremos de la unión PN para generar la fuerza electromotriz fotogenerada. En este momento, la diferencia de potencial medida en ambos extremos de la célula solar está representada por el símbolo U Oc .

Cuando la célula solar está conectada a la carga R, la carga R puede variar de cero a infinito. Cuando la carga R M  Maximiza la potencia de salida de la célula solar, su potencia máxima correspondiente P M  Es

P M = I M U M

Donde yo M  Y U M  Son la corriente de trabajo óptima y el voltaje de trabajo óptimo respectivamente.

Cuando la célula solar está conectada a la carga, una corriente fluye a través de la carga, que se llama la corriente de trabajo de la célula solar, también conocida como corriente de carga o corriente de salida. El voltaje en ambos extremos de la carga se llama voltaje de trabajo de la célula solar. El voltaje de trabajo y la corriente de la célula solar cambian con la resistencia de carga. La curva característica de voltios amperios de la célula solar se puede obtener haciendo una curva de la tensión de trabajo y la corriente correspondiente a diferentes valores de resistencia.

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Si el valor de resistencia de carga seleccionado puede maximizar el producto de la tensión de salida y la corriente, se obtiene la potencia máxima de salida, que está representada por el símbolo P max ... El voltaje de trabajo y la corriente en este momento se denominan voltaje de trabajo óptimo y corriente de trabajo óptima, que están representados por símbolos U mp  Y yo mp  Respectivamente.

La relación de la potencia máxima P M  Al producto de U OC   Y yo SC   Se define como el factor de llenado FF, entonces

FF = P M /U OC I SC = U M I M /U OC I SC

FF es un importante parámetro de caracterización de la célula solar. Cuanto mayor sea el FF, mayor será la potencia de salida. FF depende de la intensidad de la luz incidente, el ancho de banda del material, el coeficiente ideal, la resistencia en serie y la resistencia paralela.

Factor de relleno FF es un parámetro importante para medir las características de salida de las células solares. Es la relación entre la potencia de salida máxima y el producto de voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito. Representa la potencia máxima de salida de la célula solar con la mejor carga. Cuanto mayor sea su valor, mayor será la potencia de salida de la célula solar. El valor de FF es siempre inferior a 1, que puede ser dado por la siguiente fórmula empírica

FF = U OC -En (U OC 0,72)/U OC +1

Donde U OC   Es el voltaje de circuito abierto normalizado.

La eficiencia de conversión fotoeléctrica de una célula solar se refiere a la máxima eficiencia de conversión de energía cuando la resistencia de carga óptima está conectada al circuito externo, que es igual a la relación entre la potencia de salida de la célula solar y la energía incidente en la superficie de la célula solar. La eficiencia de conversión de la fotocélula para convertir la energía de la luz directamente en energía eléctrica útil es un parámetro importante para juzgar la calidad de la batería & eta; Express

Y eta;= P max/P m = I Mp U Mp /P m = I Mp U Mp /FFU OC I CAROLINA DEL SUR

Es decir, la relación entre la potencia de salida máxima de la batería y la potencia de luz incidente.

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