Effet photovoltaïque et paramètres de caractérisation des lumières solaires extérieures
Effet photovoltaïque de la lumière solaire extérieure
Selon la conductivité, les objets peuvent être grossièrement divisés en conducteurs, semi-conducteurs et isolants. L'effet d'un faisceau de lumière solaire sur les semi-conducteurs est très différent de celui sur les autres objets. Il y a beaucoup d'électrons libres dans les métaux, et le changement de conductivité électrique causé par la lumière solaire peut être complètement ignoré; L'isolant ne peut pas exciter plus d'électrons pour participer à la conduction à très haute température; La force de liaison du semi-conducteur avec une conductivité entre le métal et l'isolant sur les électrons dans le corps est bien inférieure à celle de l'isolant. L'énergie photonique de la lumière solaire visible peut l'exciter de l'état de liaison à l'état conducteur libre, qui est l'effet photoélectrique du semi-conducteur. Lorsqu'il y a un champ électrique dans la zone locale du semi-conducteur, les porteurs photogénérés s'accumulent, ce qui est très différent de celui sans champ électrique. La tension photoélectrique sera générée des deux côtés du champ électrique en raison de l'accumulation de charge, qui est l'effet de volt photogénéré, appelé effet photovoltaïque. Parlons des semi-conducteurs en détail.
Les matériaux semi-conducteurs purs sont appelés semi-conducteurs intrinsèques. Lorsque les éléments d'impureté du groupe v (phosphore, arsenic, etc.) sont dopés dans le matériau semi-conducteur intrinsèque et que l'impureté fournit des électrons de sorte que la concentration d'électrons est supérieure à la concentration du trou, un matériau semi-conducteur de type n est formé et l'impureté est appelée donneur; À ce moment, La concentration d'électrons est supérieure à la concentration du trou, qui est le porteur majoritaire, tandis que la concentration du trou est inférieure, qui est le porteur minoritaire. De même, les éléments d'impureté du groupe III (bore, etc.) sont dopés dans le matériau semi-conducteur, de sorte que la concentration du trou est supérieure à la concentration en électrons et que le silicium cristallin devient un semi-conducteur de type p. Par exemple, en prenant le silicium comme exemple, l'ajout d'un peu de bore, d'aluminium, de gallium et d'autres impuretés dans le silicium de haute pureté est un semi-conducteur de type p; L'ajout d'un peu de phosphore, d'arsenic, d'antimoine et d'autres impuretés est un semi-conducteur de type n. Dans les semi-conducteurs de type n, les électrons hors équilibre sont appelés porteurs majoritaires hors équilibre, et les trous hors équilibre sont appelés porteurs minoritaires non équilibrés. Le contraire est vrai pour les semi-conducteurs de type p. Dans les dispositifs à semi-conducteurs, les porteurs minoritaires hors équilibre jouent souvent un rôle important.
Les matériaux semi-conducteurs de type n et les matériaux semi-conducteurs de type p sont électriquement neutres lorsqu'ils existent indépendamment. La charge des impuretés ionisées est égale à la charge totale des porteurs. Lorsque deux types de matériaux semi-conducteurs sont connectés ensemble, pour les matériaux semi-conducteurs de type n, les électrons sont la plupart des porteurs à forte concentration; Dans les semi-conducteurs de type p, les électrons sont des porteurs minoritaires à faible concentration. En raison de l'existence d'un gradient de concentration, la diffusion électrique est liée à se produire, c'est-à-dire que les électrons diffusent d'un matériau semi-conducteur de type n à haute concentration vers un matériau semi-conducteur de type p à faible concentration, et une jonction PN est formée à l'interface entre le semi-conducteur de type n et semi-conducteur de type p. Près de l'interface de jonction PN, la concentration d'électrons dans le semi-conducteur de type n diminue progressivement, tandis que les électrons se diffusent dans le composé semi-conducteur de type p avec la plupart des trous porteurs et disparaissent. Par conséquent, près de l'interface du semi-conducteur de type n, en raison de la diminution de la plupart des concentrations d'électrons porteurs, le nombre de charges positives d'impuretés ionisées est supérieur à la concentration d'électrons restante, et une région de charge positive apparaît. De même, dans les semi-conducteurs de type p, en raison de la diffusion de trous des semi-conducteurs de type p vers les semi-conducteurs de type n, le nombre de charges négatives d'impuretés ionisées près de l'interface est supérieur à la concentration de trous restante,Et une région de charge négative apparaît. Cette région de charge positive et négative est appelée la région de charge spatiale de la jonction PN, formant un champ électrique du semi-conducteur de type n au semi-conducteur de type p, appelé champ électrique intégré, également appelé champ électrique barrière. Parce que la résistance ici est particulièrement élevée, elle est également appelée couche barrière. Ce champ électrique résiste à la diffusion des multiplions dans les deux régions et aide à la dérive des électrons minoritaires jusqu'à ce que le courant de diffusion atteigne l'équilibre lorsqu'il est égal au courant de dérive, et qu'un champ électrique intégré stable s'établit des deux côtés de l'interface.. La soi-disant diffusion signifie que sous l'influence d'un champ électrique externe, un électron libre se déplaçant au hasard a un mouvement accéléré dans la direction opposée au champ électrique, et sa vitesse augmente continuellement avec le temps. En plus du mouvement de dérive, les porteurs dans les semi-conducteurs peuvent également circuler en raison de la diffusion. Lorsque des particules, telles que des molécules de gaz, sont trop concentrées, elles se dispersent si elles ne sont pas limitées. La raison fondamentale de ce phénomène est le mouvement thermique irrégulier de ces particules. Avec les progrès de la diffusion, la région de charge spatiale est élargie et le champ électrique interne est amélioré. Parce que le rôle du champ électrique interne est d'entraver la diffusion multi son et de promouvoir la dérive du fils minoritaire, lorsque le mouvement de diffusion et le mouvement de dérive atteignent un équilibre dynamique, une jonction PN stable sera formée. La jonction PN est très mince avec peu d'électrons et de trous,Mais il y a des ions chargés positivement près du côté de type n et des ions chargés négativement près du côté de type p. En raison du manque de porteurs dans la région de charge d'espace, la jonction PN est également appelée région de couche d'appauvrissement.
Lorsque le semi-conducteur à jonction PN est éclairé, le nombre d'électrons et de trous augmente. Sous l'action du champ électrique local de la jonction, les électrons de la région P se déplacent vers la région n et les trous de la région N se déplacent vers la région p. De cette manière, il y a accumulation de charge aux deux extrémités de la jonction et une différence de potentiel est formée.
La cellule qui convertit directement l'énergie lumineuse en énergie électrique en utilisant l'effet photovoltaïque est appelée cellule solaire (cellule solaire en abrégé). L'effet dit photovoltaïque est le phénomène selon lequel la force électromotrice est générée aux deux extrémités après que le système absorbe l'énergie lumineuse lorsque la lumière de longueur d'onde appropriée est irradiée sur le semi-conducteur.
Lorsque la jonction PN est éclairée, l'absorption intrinsèque et extrinsèque des photons produira des porteurs photogénérés, mais seuls quelques porteurs excités par l'absorption intrinsèque peuvent provoquer l'effet photovoltaïque. Parce que les trous photogénérés dans la région p et les électrons photogénérés dans la région N appartiennent à des multiplions, ils sont bloqués par la barrière de potentiel et ne peuvent pas traverser la jonction. Seuls les électrons photogénérés dans la région p et les trous photogénérés dans la région N et la paire de trous d'électrons (minoritaires) dans la région de jonction peuvent dériver à travers la jonction sous l'action du champ électrique intégré lorsqu'ils se diffusent près de la jonction champ électrique. Les électrons photogénérés sont tirés vers n région et les trous photogénérés sont tirés vers la région p, c'est-à-dire que les paires de trous d'électrons sont séparées par un champ électrique intégré. Cela conduit à l'accumulation d'électrons photogénérés près de la limite de la région N et des trous photogénérés près de la limite de la région P. Ils génèrent un champ électrique photogénéré opposé au champ électrique intégré de la jonction PN à équilibre thermique, et sa direction est de la région P à la région n. Ce champ électrique réduit la barrière de potentiel, c'est-à-dire la différence de potentiel photogénéré, positive p-terminale et négative N-terminale. Par conséquent, le courant de jonction circule de la région P à la région n, et sa direction est opposée au courant photogénéré.
En fait, tous les supports photogénérés ne contribuent pas au courant photogénéré. Réglez le trou creux de la zone n dans la durée de vie
& Tau;
P La distance de diffusion du temps de P est L
P
, Et la durée de vie des électrons dans la région P est
& Tau;
P La distance de diffusion du temps de n est L
N
.
L
N
L
P
= L est beaucoup plus grand que la largeur de la jonction PN elle-même, on peut donc considérer que les porteurs photogénérés générés dans la distance de diffusion moyenne l près de la jonction contribuent au courant photogénéré, Tandis que les paires de trous d'électrons dont les positions sont à plus de l de la région de jonction seront toutes composées dans le processus de diffusion et n'auront aucune contribution à l'effet photoélectrique de la jonction PN.
Afin de comprendre le processus ci-dessus, ce qui suit présente brièvement les concepts de durée de vie, de mobilité et de durée de diffusion du flux de téléchargement.
La durée de vie du porteur fait référence à la durée de vie moyenne des porteurs hors équilibre avant recombinaison, qui est l'abréviation de la durée de vie du porteur hors équilibre. Dans le cas de l'équilibre thermique, le taux de génération des électrons et des trous est égal au taux de recombinaison, et leurs concentrations maintiennent l'équilibre. Sous l'action de conditions externes (telles que la lumière solaire), des porteurs supplémentaires hors équilibre, à savoir des paires de trous d'électrons, seront générés; Après l'annulation des conditions externes, car le taux de recombinaison est supérieur au taux de génération, les porteurs hors équilibre vont progressivement disparaître et revenir à l'état d'équilibre thermique. La loi de désintégration de la concentration de porteurs hors équilibre avec le temps obéit généralement à la relation exponentielle. Dans les dispositifs à semi-conducteurs, la durée de vie des porteurs minoritaires hors équilibre est appelée durée de vie des porteurs minoritaires en abrégé.
Le processus de recombinaison peut être grossièrement divisé en deux types: la transition directe des électrons entre la bande de conduction et la bande de valence, entraînant la disparition d'une paire de trous d'électrons, appelée recombinaison directe; Les paires de trous d'électrons peuvent également être combinées par le niveau d'énergie dans la bande interdite. (En recombinaison), qui est appelée recombinaison indirecte. La durée de vie du porteur minoritaire de chaque semi-conducteur n'est pas une valeur fixe, elle variera considérablement en fonction de la composition chimique et de la structure cristalline. La mobilité fait référence à la vitesse de dérive moyenne des porteurs (électrons et trous) sous l'action du champ électrique unitaire, c'est-à-dire une mesure de la vitesse des porteurs sous l'action du champ électrique. Plus ils se déplacent rapidement, plus la mobilité est grande; Mouvement lent et faible mobilité. Dans le même matériau semi-conducteur, la mobilité de différents types de supports est également différente. Généralement, la mobilité des électrons est supérieure à celle des trous. Sous l'action d'un champ électrique constant, la vitesse de dérive moyenne des porteurs ne peut prendre qu'une certaine valeur, ce qui signifie que les porteurs dans les semi-conducteurs ne sont pas accélérés sans aucune résistance. En fait, dans le processus de son mouvement thermique, les porteurs entrent constamment en collision avec le réseau, les impuretés et les défauts, et changent leur direction de mouvement de manière irrégulière, c'est-à-dire que la diffusion se produit. Les cristaux inorganiques ne sont pas des cristaux idéaux, tandis que les semi-conducteurs organiques sont essentiellement amorphes, il y a donc diffusion de réseau et diffusion d'impuretés ionisées, de sorte que la mobilité des porteurs ne peut avoir qu'une certaine valeur.
Parce que les transporteurs minoritaires ont une certaine durée de vie, c'est-à-dire un transporteur minoritaire à vie. Par conséquent, dans le processus de diffusion, les porteurs minoritaires diffuseront et se composeront en même temps. Après une certaine distance, les porteurs minoritaires disparaîtront, qui est la soi-disant longueur de diffusion.
Absorption de la lumière solaire des semi-conducteurs. L'absorption de la lumière solaire par les semi-conducteurs est principalement déterminée par la bande interdite des matériaux semi-conducteurs. Pour les semi-conducteurs avec une certaine bande interdite, les photons à basse énergie à basse fréquence ont un petit degré d'absorption de la lumière et la plupart de la lumière peut pénétrer; À mesure que la fréquence augmente, la capacité d'absorber la lumière augmente fortement. En fait, l'absorption de la lumière des semi-conducteurs est déterminée par divers facteurs. Ici, seule la transition entre les bandes d'énergie électronique utilisées dans les cellules solaires est considérée. Généralement, plus la bande interdite est large, plus le coefficient d'absorption d'une certaine longueur d'onde est petit. De plus, l'absorption de la lumière dépend également de la densité des états de bande de conduction et de la bande de valence.
Lorsque différents types de semi-conducteurs sont en contact (formant des jonctions PN) ou que des semi-conducteurs sont en contact avec des métaux, la diffusion se produit en raison de la différence de concentration des électrons (ou des trous) et une barrière de potentiel se forme au contact. Par conséquent, ce type de contact a une seule conductivité. En utilisant la conductivité unidirectionnelle de la jonction PN, des dispositifs semi-conducteurs avec différentes fonctions peuvent être fabriqués, tels que la diode, la triode, le thyristor, etc. La jonction PN possède également de nombreuses autres propriétés de base importantes, notamment les caractéristiques de tension de courant, l'effet de capacité, l'effet de tunnel, l'effet d'avalanche, les caractéristiques de commutation et l'effet photovoltaïque. Les caractéristiques de tension de courant, également appelées caractéristiques de redresseur ou caractéristiques d'ampères de volt, sont les caractéristiques les plus élémentaires de la jonction PN, tandis que la conversion photoélectrique solaire est l'effet photovoltaïque généré par le champ électrique intégré de la jonction PN.
Paramètres de caractérisation des cellules solaires
Le principe de fonctionnement des cellules solaires est basé sur l'effet photovoltaïque. Lorsque la lumière irradie la cellule solaire, un courant photogénéré IPH de la région n à la région p sera généré. En même temps, en raison des caractéristiques de la diode de jonction PN, il y a un courant de diode avant I
D
, Qui est opposé au courant photogénéré de la région P à la région n. Par conséquent, le courant réellement obtenu I est
I = I
Ph
-Je
D
= I
Ph
-Je
0
[Exp (qU
D
/Nk
B
T)-1]
Où,
U
D
Est la tension de jonction;
Je
0
Est le courant de saturation inverse de la diode;
Je
Ph
Est un courant photogénéré proportionnel à l'intensité de la lumière incidente, et son coefficient proportionnel est déterminé par la structure et les caractéristiques matérielles des cellules solaires; N est le coefficient idéal (n valeur), qui est un paramètre représentant les caractéristiques de la jonction PN, généralement entre 1 et 2; Q est la charge d'électron;
K
B
Est la constante de Boltzmann; T est la température.
Si la résistance série R
S
De la cellule solaire est ignorée, U
D
Est la tension de borne U de la cellule solaire, puis
I = I
Ph
-Je
0
[Exp (qU/nk
B
T)-1]
Lorsque l'extrémité de sortie de la cellule solaire est court-circuitée, U = 0 (U
D
& Asyp; 0), le courant de court-circuit peut être obtenu à partir de la formule
Je
Sc
= I
Ph
En bref, le courant de court-circuit est le courant maximal mesuré lorsque la cellule solaire est court-circuitée de l'extérieur, exprimé en I
Sc
. C'est le courant maximum que la cellule photoélectrique peut obtenir dans le circuit externe sous une certaine intensité lumineuse. Sans considérer d'autres pertes, le courant de court-circuit de la cellule solaire est égal au courant photogénéré I
Ph
, Qui est directement proportionnelle à l'intensité de la lumière incidente.
Lorsque la borne de sortie de la cellule solaire est en circuit ouvert, I = 0, et la tension en circuit ouvert peut être obtenue à partir de la formule
U
Oc
= Nk
B
T/q * dans (I
Sc
/I
0
1)
En termes simples, la tension en circuit ouvert signifie que la cellule solaire éclairée est à l'état de circuit ouvert et que les porteurs photogénérés ne peuvent s'accumuler qu'aux deux extrémités de la jonction PN pour générer la force électromotrice photogénérée. A ce moment, la différence de potentiel mesurée aux deux extrémités de la cellule solaire est représentée par le symbole U
Oc
.
Lorsque la cellule solaire est connectée à la charge R, la charge R peut aller de zéro à l'infini. Quand la charge R
M
Maximize la puissance de sortie de la cellule solaire, sa puissance maximale correspondante P
M
Est
P
M
= I
M
U
M
Où je
M
Et U
M
Sont respectivement le courant de travail optimal et la tension de fonctionnement optimale.
Lorsque la cellule solaire est connectée à la charge, un courant circule dans la charge, appelée courant de travail de la cellule solaire, également appelé courant de charge ou courant de sortie. La tension aux deux extrémités de la charge est appelée la tension de fonctionnement de la cellule solaire. La tension de travail et le courant de la cellule solaire changent avec la résistance à la charge. La courbe caractéristique de l'ampère de volt de la cellule solaire peut être obtenue en faisant une courbe de la tension et du courant de travail correspondant à différentes valeurs de résistance.
Si la valeur de résistance de charge sélectionnée peut maximiser le produit de la tension et du courant de sortie, la puissance de sortie maximale est obtenue, qui est représentée par le symbole P
Max
. La tension et le courant de travail à ce moment sont appelés la tension de travail optimale et le courant de travail optimal, qui sont représentés par les symboles U
mp
Et je
mp
Respectivement.
Le rapport de la puissance maximale P
M
Au produit de U
OC
Et je
SC
Est défini comme le facteur de remplissage FF, puis
FF = P
M
/U
OC
Je
SC
= U
M
Je
M
/U
OC
Je
SC
FF est un paramètre de caractérisation important de la cellule solaire. Plus le FF est grand, plus la puissance de sortie est élevée. FF dépend de l'intensité lumineuse incidente, de la largeur de bande interdite du matériau, du coefficient idéal, de la résistance en série et de la résistance parallèle.
Le facteur de remplissage FF est un paramètre important pour mesurer les caractéristiques de sortie des cellules solaires. C'est le rapport de la puissance de sortie maximale au produit de la tension en circuit ouvert et du courant de court-circuit. Il représente la puissance de sortie maximale de la cellule solaire avec la meilleure charge. Plus sa valeur est élevée, plus la puissance de sortie de la cellule solaire est grande. La valeur de FF est toujours inférieure à 1, ce qui peut être donné par la formule empirique suivante
FF = U
OC
-Dans (U
OC
0,72)/U
OC
+1
Où U
OC
Est la tension normalisée du circuit ouvert.
L'efficacité de conversion photoélectrique d'une cellule solaire fait référence à l'efficacité de conversion d'énergie maximale lorsque la résistance de charge optimale est connectée au circuit externe, qui est égale au rapport de la puissance de sortie de la cellule solaire à l'énergie incidente à la surface de la cellule solaire. L'efficacité de conversion de la cellule photoélectrique pour convertir l'énergie lumineuse directement en énergie électrique utile est un paramètre important pour juger de la qualité de la batterie & eta; express
& Eta; = P
Max
/P
M
= I
Mp
U
Mp
/P
M
= I
Mp
U
Mp
/FFU
OC
Je
SC
C'est-à-dire le rapport entre la puissance de sortie maximale de la batterie et la puissance lumineuse incidente.
