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Efeito fotovoltaico das luzes solares ao ar livre e parâmetros de caracterização

2021-08-04 19:02:23

Efeito fotovoltaico da luz solar ao ar livre

De acordo com a condutividade, os objetos podem ser divididos em condutores, semicondutores e isoladores. O efeito de um feixe de luz solar em semicondutores é muito diferente daquele em outros objetos. Existem muitos elétrons livres em metais, e a mudança de condutividade elétrica causada pela luz solar pode ser completamente ignorada; O isolador não pode excitar mais elétrons para participar da condução a temperaturas muito altas; A força de ligação do semicondutor com condutividade entre o metal e o isolante nos elétrons do corpo é muito menor do que a do isolante. A energia do fóton da luz solar visível pode excitá-lo da ligação ao estado condutor livre, que é o efeito fotoelétrico do semicondutor. Quando há um campo elétrico na área local do semicondutor, os portadores fotogerados se acumulam, o que é muito diferente daquele sem um campo elétrico. A tensão fotoelétrica será gerada em ambos os lados do campo elétrico devido ao acúmulo de carga, que é o efeito volt fotogerado, conhecido como efeito fotovoltaico. Vamos falar sobre semicondutores em detalhes.

Os materiais semicondutores puros são chamados de semicondutores intrínsecos. Quando os elementos de impureza do grupo v (fósforo, arsênico, etc.) são dopados no material semicondutor intrínseco, e a impureza fornece elétrons para que a concentração de elétrons seja maior que a concentração de furos, o material semicondutor do tipo n é formado e a impureza é chamada de doador; Neste momento, A concentração de elétrons é maior do que a concentração do buraco, que é o portador majoritário, enquanto a concentração do buraco é menor, que é o portador minoritário. Da mesma forma, os elementos de impureza do grupo III (boro, etc.) são dopados no material semicondutor, de modo que a concentração do orifício é maior do que a concentração de elétrons, e o silício cristalino se torna um semicondutor do tipo p. Por exemplo, tomar o silício como exemplo, adicionar um pouco de boro, alumínio, gálio e outras impurezas ao silício de alta pureza é um semicondutor do tipo p; Adicionar um pouco de fósforo, arsênico, antimônio e outras impurezas é um semicondutor do tipo n. Em semicondutores do tipo n, os elétrons de não equilíbrio são chamados de portadores de maioria não-equilíbrio, e os buracos de não-equilíbrio são chamados de portadores minoritários de não-equilíbrio. O oposto é verdadeiro para semicondutores do tipo p. Em dispositivos semicondutores, os portadores minoritários sem equilíbrio geralmente desempenham um papel importante.

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Tanto os materiais semicondutores do tipo n quanto os materiais semicondutores do tipo p são eletricamente neutros quando existem independentemente. A carga de impurezas ionizadas é igual à carga total dos transportadores. Quando dois tipos de materiais semicondutores são conectados entre si, para materiais semicondutores do tipo n, os elétrons são a maioria dos portadores com alta concentração; Em semicondutores do tipo p, os elétrons são portadores minoritários com baixa concentração. Devido à existência de gradiente de concentração, a difusão elétrica está ligada a ocorrer, ou seja, os elétrons se difundem de material semicondutor do tipo n de alta concentração para material semicondutor do tipo p de baixa concentração, e uma junção PN é formada na interface entre o tipo n semicondutor e semicondutor do tipo p. Perto da interface de junção PN, a concentração de elétrons no semicondutor do tipo n diminui gradualmente, enquanto os elétrons se difundem no composto semicondutor do tipo p com a maioria dos orifícios portadores e desaparecem. Portanto, perto da interface do semicondutor do tipo n, devido à diminuição da maior parte da concentração de elétrons portadores, o número de cargas positivas de impurezas ionizadas é maior do que a concentração de elétrons restante, e uma região de carga positiva aparece. Da mesma forma, em semicondutores do tipo p, devido à difusão de furos de semicondutores do tipo p para semicondutores do tipo n, o número de cargas negativas de impurezas ionizadas perto da interface é maior do que a concentração restante do furo,E uma região de carga negativa aparece. Essa região de carga positiva e negativa é chamada de região de carga espacial da junção PN, formando um campo elétrico de semicondutor do tipo n a semicondutor do tipo p, que é chamado de campo elétrico embutido, também conhecido como campo elétrico de barreira. Porque a resistência aqui é particularmente alta, também é chamada de camada de barreira. Este campo elétrico resiste à difusão de multipons nas duas regiões e ajuda a deriva de elétrons minoritários até que a corrente de difusão atinja o equilíbrio quando é igual à corrente de deriva, e um campo elétrico integrado estável é estabelecido em ambos os lados da interface. A chamada difusão significa que, sob a influência de um campo elétrico externo, um elétron livre em movimento aleatório tem um movimento acelerado na direção oposta ao campo elétrico, e sua velocidade aumenta continuamente com o tempo. Além do movimento de deriva, os portadores em semicondutores também podem fluir devido à difusão. Quando quaisquer partículas, como moléculas de gás, estão muito concentradas, elas se dispersam se não forem limitadas. A razão básica para esse fenômeno é o movimento térmico irregular dessas partículas. Com o progresso da difusão, a região de carga espacial é ampliada e o campo elétrico interno é aprimorado. Como o papel do campo elétrico interno é impedir a difusão multi-son e promover a deriva do filho da minoria, quando o movimento de difusão e o movimento de deriva alcançam um equilíbrio dinâmico, uma junção PN estável será formada. A junção PN é muito fina com poucos elétrons e buracos,Mas há íons carregados positivamente perto do lado do tipo n e íons carregados negativamente perto do lado do tipo p. Devido à falta de portadores na região de carga espacial, a junção PN também é chamada de região da camada de depleção.

Quando o semicondutor com junção PN é iluminado, o número de elétrons e buracos aumenta. Sob a ação do campo elétrico local da junção, os elétrons na região P se movem para a região n e os buracos na região N se movem para a região p. Desta forma, há acúmulo de carga em ambas as extremidades da junção e uma diferença de potencial é formada.

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A célula que converte diretamente a energia da luz em energia elétrica usando o efeito fotovoltaico é chamada de célula solar (abreviação de célula solar). O chamado efeito fotovoltaico é o fenômeno de que a força eletromotriz é gerada em ambas as extremidades depois que o sistema absorve a energia da luz quando a luz do comprimento de onda apropriado é irradiada no semicondutor.

Quando a junção PN é iluminada, a absorção intrínseca e extrínseca de fótons produzirá portadores fotogerados, mas apenas alguns portadores excitados pela absorção intrínseca podem causar o efeito fotovoltaico. Como os buracos fotogerados na região p e os elétrons fotogerados na região N pertencem a multipons, eles são bloqueados pela barreira potencial e não podem cruzar a junção. Apenas os elétrons fotogerados na região p e os buracos fotogerados na região N e o par de buracos de elétrons (minoria) na região de junção podem derivar através da junção sob a ação do campo elétrico embutido quando se difundem perto da junção campo elétrico. Os elétrons fotogerados são puxados para a região n e os buracos fotogerados são puxados para a região p, ou seja, os pares de buracos de elétrons são separados por campo elétrico embutido. Isso leva ao acúmulo de elétrons fotogerados perto do limite da região N e buracos fotogerados próximos ao limite da região P. Eles geram um campo elétrico fotogerado oposto ao campo elétrico embutido da junção PN de equilíbrio térmico, e sua direção é da região P para a região n. Este campo elétrico reduz a barreira potencial, ou seja, a diferença de potencial fotogerado, p-terminal positivo e N-terminal negativo. Portanto, a corrente de junção flui da região P para a região n, e sua direção é oposta à corrente fotogerada.

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Na verdade, nem todos os portadores fotogerados gerados contribuem para a corrente fotogerada. Definir buraco oco n-zone na vida de serviço   & Tau; P A distância de difusão do tempo de P é L P , E a vida útil dos elétrons na região P é   & Tau; P A distância de difusão do tempo de n é L n .  Ln L P = L é muito maior do que a largura da própria junção PN, portanto, pode-se considerar que os portadores fotogerados gerados dentro da distância de difusão média l perto da junção contribuem para a corrente fotogerada, Enquanto os pares de orifícios de elétrons cujas posições estão a mais de l de distância da região de junção serão todos compostos no processo de difusão e não terão nenhuma contribuição para o efeito fotoelétrico da junção PN.

Para entender o processo acima, o seguinte apresenta brevemente os conceitos de vida útil do fluxo de download, mobilidade e comprimento de difusão.

Vida útil da portadora refere-se ao tempo médio de vida dos portadores de não equilíbrio antes da recombinação, que é a abreviatura de vida útil da portadora sem equilíbrio. No caso do equilíbrio térmico, a taxa de geração de elétrons e buracos é igual à taxa de recombinação e suas concentrações mantêm o equilíbrio. Sob a ação de condições externas (como luz solar), portadoras adicionais de não equilíbrio, a saber, pares de buracos de elétrons, serão geradas; Depois que as condições externas forem canceladas, porque a taxa de recombinação é maior que a taxa de geração, os portadores de não equilíbrio desaparecerão gradualmente e retornarão ao estado de equilíbrio térmico. A lei de decaimento da concentração do portador sem equilíbrio com o tempo geralmente obedece à relação exponencial. Em dispositivos semicondutores, a vida útil da portadora minoritária sem equilíbrio é chamada de vida útil da portadora minoritária para breve.

O processo de recombinação pode ser dividido em dois tipos: a transição direta de elétrons entre a banda de condução e a banda de valência, resultando no desaparecimento de um par de buracos de elétrons, que é chamado de recombinação direta; Os pares de furos de elétrons também podem ser combinados através do nível de energia na banda proibida (Em recombinação), que é chamada de recombinação indireta. A vida útil da portadora minoritária de cada semicondutor não é um valor fixo, ela varia muito com a composição química e a estrutura cristalina. Mobilidade refere-se à velocidade média de deriva dos portadores (elétrons e buracos) sob a ação do campo elétrico unitário, ou seja, uma medida da velocidade dos portadores sob a ação do campo elétrico. Quanto mais rápido eles se movem, maior a mobilidade; Movimento lento e baixa mobilidade. No mesmo material semicondutor, a mobilidade de diferentes tipos de portadores também é diferente. Geralmente, a mobilidade dos elétrons é maior do que a dos buracos. Sob a ação de um campo elétrico constante, a velocidade média de deriva dos portadores só pode assumir um determinado valor, o que significa que os portadores em semicondutores não são acelerados sem qualquer resistência. De fato, no processo de seu movimento térmico, os portadores colidem constantemente com a rede, impurezas e defeitos, e mudam sua direção de movimento irregularmente, ou seja, a dispersão ocorre. Os cristais inorgânicos não são cristais ideais, enquanto os semicondutores orgânicos são essencialmente amorfos, portanto, há espalhamento de rede e espalhamento de impureza ionizada, de modo que a mobilidade do portador só pode ter um certo valor.

Porque as operadoras minoritárias têm uma certa vida útil, ou seja, vida útil da operadora minoritária. Portanto, no processo de difusão, os portadores minoritários se difundirão e se agravarão ao mesmo tempo. Após uma certa distância, as portadoras minoritárias desaparecerão, que é o chamado comprimento de difusão.

Absorção de luz solar de semicondutores. A absorção de luz solar por semicondutores é determinada principalmente pelo gap de materiais semicondutores. Para semicondutores com um certo gap de banda, fótons de baixa energia com baixa frequência têm um pequeno grau de absorção de luz e a maior parte da luz pode penetrar; À medida que a frequência aumenta, a capacidade de absorver luz aumenta acentuadamente. De fato, a absorção de luz de semicondutores é determinada por vários fatores. Aqui, apenas a transição entre as bandas de energia eletrônica usadas nas células solares é considerada. Geralmente, quanto mais amplo o gap, menor o coeficiente de absorção de um determinado comprimento de onda. Além disso, a absorção de luz também depende da densidade dos estados da banda de condução e da banda de valência.

Quando diferentes tipos de semicondutores estão em contato (formando junções PN) ou semicondutores estão em contato com metais, a difusão ocorre devido à diferença de concentração de elétrons (ou buracos) e uma barreira potencial é formada no contato. Portanto, esse tipo de contato tem condutividade única. Usando a condutividade unidirecional da junção PN, dispositivos semicondutores com diferentes funções podem ser feitos, como diodo, triodo, tiristor e assim por diante. A junção PN também tem muitas outras propriedades básicas importantes, incluindo características de tensão de corrente, efeito de capacitância, efeito de túnel, efeito de avalanche, características de comutação e efeito fotovoltaico. As características da tensão atual, também conhecidas como características do retificador ou características do volt ampere, são as características mais básicas da junção PN, enquanto a conversão fotoelétrica solar é o efeito fotovoltaico gerado pelo campo elétrico embutido da junção PN.

Parâmetros de caracterização das células solares

O princípio de funcionamento das células solares é baseado no efeito fotovoltaico. Quando a luz irradia a célula solar, uma corrente fotogerada IPH da região n para a região p será gerada. Ao mesmo tempo, devido às características do diodo de junção PN, há uma corrente de diodo dianteiro I D. , Que é oposta à corrente fotogerada da região P para a região n. Portanto, a corrente realmente obtida I é

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

Onde,   U D.  É a tensão de junção;  Eu 0  É a corrente de saturação reversa do diodo;  Eu Ph   É uma corrente fotogerada proporcional à intensidade da luz incidente, e seu coeficiente proporcional é determinado pela estrutura e características do material das células solares; N é o coeficiente ideal (valor n), que é um parâmetro que representa as características da junção PN, geralmente entre 1 e 2; Q é a carga do elétron;  K B  É a constante de Boltzmann; T é a temperatura.

Se a resistência da série R S  Da célula solar é ignorado, U D.  É a tensão terminal U da célula solar, então

I = I Ph   -Eu 0  [Exp (qU/nk B T)-1]

Quando a extremidade de saída da célula solar está em curto-circuito, U = 0 (U D.  & Assimp; 0), a corrente de curto-circuito pode ser obtida a partir da fórmula

Eu Sc = I Ph

Em suma, a corrente de curto-circuito é a corrente máxima medida quando a célula solar está em curto-circuito a partir do exterior, expressa em I Sc ... É a corrente máxima que a fotocélula pode obter no circuito externo sob uma certa intensidade de luz. Sem considerar outras perdas, a corrente de curto-circuito da célula solar é igual à corrente fotogerada I Ph , Que é diretamente proporcional à intensidade da luz incidente.

Quando o terminal de saída da célula solar é circuito aberto, I = 0, e a tensão de circuito aberto pode ser obtida a partir da fórmula

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

Simplificando, a tensão de circuito aberto significa que a célula solar iluminada está no estado de circuito aberto, e os portadores fotogerados só podem se acumular em ambas as extremidades da junção PN para gerar a força eletromotriz fotogerada. Neste momento, a diferença de potencial medida em ambas as extremidades da célula solar é representada pelo símbolo U Oc .

Quando a célula solar está conectada à carga R, a carga R pode variar de zero ao infinito. Quando a carga R M  Maximiza a potência de saída da célula solar, sua potência máxima correspondente P M  É

P M = I M U M

Onde eu M  E U M  São a corrente de trabalho ideal e a tensão de trabalho ideal, respectivamente.

Quando a célula solar é conectada à carga, uma corrente flui através da carga, que é chamada de corrente de trabalho da célula solar, também conhecida como corrente de carga ou corrente de saída. A tensão em ambas as extremidades da carga é chamada de tensão de trabalho da célula solar. A tensão de trabalho e a corrente da célula solar mudam com a resistência à carga. A curva característica do ampere de volt da célula solar pode ser obtida fazendo uma curva da tensão de trabalho e da corrente correspondente a diferentes valores de resistência.

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Se o valor de resistência de carga selecionado pode maximizar o produto da tensão de saída e corrente, a potência de saída máxima é obtida, que é representada pelo símbolo P Max ... A tensão de trabalho e a corrente neste momento são chamadas de tensão de trabalho ideal e corrente de trabalho ideal, que são representadas por símbolos U mp  E eu mp  Respectivamente.

A relação da potência máxima P M  Ao produto de U OC   E eu SC   É definido como o fator de enchimento FF, então

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

FF é um importante parâmetro de caracterização da célula solar. Quanto maior o FF, maior a potência de saída. FF depende da intensidade da luz incidente, a largura da abertura da banda do material, o coeficiente ideal, a resistência da série e a resistência paralela.

O fator de preenchimento FF é um parâmetro importante para medir as características de saída das células solares. É a relação entre a potência máxima de saída e o produto da tensão de circuito aberto e da corrente de curto-circuito. Representa a potência máxima de saída da célula solar com a melhor carga. Quanto maior o seu valor, maior a potência de saída da célula solar. O valor de FF é sempre menor que 1, o que pode ser dado pela seguinte fórmula empírica

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

Onde U OC   É a tensão de circuito aberto normalizada.

A eficiência de conversão fotoelétrica de uma célula solar refere-se à eficiência máxima de conversão de energia quando a resistência de carga ideal é conectada ao circuito externo, que é igual à razão entre a potência de saída da célula solar e a energia incidente na superfície do célula solar. A eficiência de conversão da fotocélula para converter a energia da luz diretamente em energia elétrica útil é um parâmetro importante para julgar a qualidade da bateria & eta; express

& Eta; = P max/P M = I Mp U Mp /P M = I Mp U Mp /FFU OC Eu SC

Ou seja, a relação entre a potência máxima de saída da bateria e a potência da luz incidente.

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