Теория солнечных батарей

Теория солнечных элементов объясняет процесс, посредством которого световая энергия фотонов преобразуется в электрический ток, когда фотоны ударяются о подходящее полупроводниковое устройство . Теоретические исследования имеют практическое значение, поскольку они предсказывают фундаментальные ограничения солнечного элемента и дают представление о явлениях, которые способствуют потерям и эффективности солнечного элемента .

Зонная диаграмма солнечного элемента, соответствующая очень низкому току (горизонтальный уровень Ферми ), очень низкому напряжению (валентные зоны металлов на одинаковой высоте) и, следовательно, очень низкой освещенности.

Рабочее объяснение

1. Фотоны солнечного света попадают на солнечную панель и поглощаются полупроводниковыми материалами.
2. Электроны (отрицательно заряженные) выбиваются из своих атомов при возбуждении. Из-за их особой структуры и материалов солнечных элементов электронам разрешено двигаться только в одном направлении. Электронная структура материалов очень важна для работы процесса, и часто в разных слоях используется кремний , содержащий небольшое количество бора или фосфора .
3. Массив солнечных элементов преобразует солнечную энергию в полезное количество электроэнергии постоянного тока (DC).

Фотогенерация носителей заряда

Когда фотон попадает на кусок полупроводника, может произойти одно из трех:

1. Фотон может пройти прямо через полупроводник — это (обычно) происходит для фотонов с более низкой энергией.
2. Фотон может отражаться от поверхности.
3. Фотон может быть поглощен полупроводником, если энергия фотона превышает значение ширины запрещенной зоны . При этом генерируется электронно-дырочная пара, а иногда и тепло, в зависимости от зонной структуры.

Зонная диаграмма кремниевого солнечного элемента, соответствующая очень низкому току (горизонтальный уровень Ферми ), очень низкому напряжению (валентные зоны металла на той же высоте) и, следовательно, очень низкой освещенности.

Когда фотон поглощается, его энергия передается электрону в кристаллической решетке. Обычно этот электрон находится в валентной зоне . Энергия, переданная электрону фотоном, «возбуждает» его в зону проводимости , где он может свободно перемещаться внутри полупроводника. В сети ковалентных связей, частью которой раньше был электрон, теперь на один электрон меньше. Это известно как дырка, и она имеет положительный заряд. Наличие недостающей ковалентной связи позволяет связанным электронам соседних атомов перемещаться в «дырку», оставляя позади еще одну дырку, тем самым распространяя дырки по решетке в направлении, противоположном движению отрицательно электронов. Можно сказать, что фотоны, поглощаемые полупроводником, создают электронно-дырочные пары.

Фотону достаточно иметь энергию, превышающую энергию запрещенной зоны, чтобы возбудить электрон из валентной зоны в зону проводимости. Однако спектр солнечных частот приближается к спектру черного тела при температуре около 5800 К ^[1] , и поэтому большая часть солнечного излучения, достигающего Земли, состоит из фотонов с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны кремния (1,12 эВ), что близко к идеальному значению для наземного солнечного элемента (1,4 эВ). Эти фотоны с более высокой энергией будут поглощаться кремниевым солнечным элементом, но разница в энергии между этими фотонами и запрещенной зоной кремния преобразуется в тепло (через колебания решетки, называемые фононами ), а не в полезную электрическую энергию.

Pn-переход

Наиболее известный солнечный элемент выполнен в виде pn-перехода большой площади из кремния. В качестве упрощения можно представить себе прямой контакт слоя кремния n-типа со слоем кремния p-типа. Легирование n-типа создает подвижные электроны (оставляя после себя положительно заряженные доноры), тогда как легирование p-типа создает подвижные дырки (и отрицательно заряженные акцепторы). На практике pn-переходы кремниевых солнечных элементов создаются не таким способом, а путем диффузии n-типа. -введите легирующую примесь на одну сторону пластины p-типа (или наоборот).

Если кусочек кремния p-типа поместить в тесный контакт с кусочком кремния n-типа, то происходит диффузия электронов из области высокой концентрации электронов (n-сторона перехода) в область низкой концентрация электронов (p-сторона перехода). Когда электроны диффундируют на сторону p-типа, каждый из них аннигилирует дырку, делая эту сторону отрицательно заряженной (потому что теперь количество мобильных положительных дырок теперь меньше, чем количество отрицательных акцепторов). Точно так же дырки, диффундирующие в сторону n-типа, делают его более положительно заряженным. Однако (при отсутствии внешней цепи) этот диффузионный ток носителей не продолжается бесконечно, поскольку накопление заряда по обе стороны от перехода создает электрическое поле , которое препятствует дальнейшей диффузии большего количества зарядов. В конце концов, равновесие достигается, когда чистый ток равен нулю, оставляя область по обе стороны от перехода, где электроны и дырки диффундируют через переход и аннигилируют друг друга, называемую областью истощения , поскольку она практически не содержит подвижных носителей заряда. Она также известна как область пространственного заряда , хотя объемный заряд простирается немного дальше в обоих направлениях, чем область истощения.

Как только равновесие установлено, электронно-дырочные пары, генерируемые в области обеднения, разделяются электрическим полем, при этом электрон притягивается к положительной стороне n-типа, а дырки - к отрицательной стороне p-типа, уменьшая заряд (и электрическое поле ), созданный в результате только что описанной диффузии. Если устройство не подключено (или внешняя нагрузка очень велика), то диффузионный ток в конечном итоге восстановит равновесный заряд, возвращая электрон и дырку обратно через переход, но если подключенная нагрузка достаточно мала, электроны предпочитают обойти соединение. внешняя цепь в попытке восстановить равновесие, совершая по пути полезную работу.

Разделение носителей заряда

Есть две причины движения и разделения носителей заряда в солнечном элементе:

1. дрейф носителей, движимый электрическим полем, при котором электроны толкаются в одну сторону, а дырки в другую.
2. диффузия носителей из зон с большей концентрацией носителей в зоны с меньшей концентрацией носителей (по градиенту химического потенциала).

Эти две «силы» могут действовать друг против друга в любой точке клетки. Например, электрон, движущийся через переход из p-области в n-область (как на схеме в начале этой статьи), выталкивается электрическим полем против градиента концентрации. То же самое касается и дыры, движущейся в противоположном направлении.

Проще всего понять, как возникает ток, рассматривая электронно-дырочные пары, которые создаются в зоне обеднения, где существует сильное электрическое поле. Электрон подталкивается этим полем к n-стороне, а дырка — к p-стороне. (Это противоположно направлению тока в прямосмещенном диоде, таком как работающий светодиод .) Когда пара создается за пределами зоны объемного заряда, где электрическое поле меньше, диффузия также приводит к перемещению переносчиков, но переход по-прежнему играет роль, смещая любые электроны, которые достигают его, с p-стороны на n-сторону и смещая любые дырки, которые достигают его, с n-стороны на p-сторону, тем самым создавая градиент концентрации за пределами зона пространственного заряда.

В толстых солнечных элементах электрическое поле в активной области за пределами зоны объемного заряда очень мало, поэтому доминирующим способом разделения носителей заряда является диффузия. В этих клетках диффузионная длина неосновных носителей (длина, которую фотогенерированные носители могут пройти до рекомбинации) должна быть большой по сравнению с толщиной клетки. В тонкопленочных ячейках (таких как аморфный кремний) длина диффузии неосновных носителей обычно очень коротка из-за наличия дефектов, и поэтому преобладающее разделение зарядов является дрейфовым, вызываемым электростатическим полем перехода, которое распространяется до всю толщину клетки. ^[2]

Как только миноритарный перевозчик попадает в область дрейфа, он «проносится» через перекресток и на другой стороне перекрестка становится мажоритарным носителем. Этот обратный ток представляет собой ток генерации, питаемый как термически, так и (если присутствует) за счет поглощения света. С другой стороны, основные носители переносятся в область дрейфа за счет диффузии (в результате градиента концентрации), что приводит к прямому току; только основные носители с наивысшими энергиями (в так называемом больцмановском хвосте; ср. Статистику Максвелла – Больцмана ) могут полностью пересечь область дрейфа. Следовательно, распределение носителей во всем устройстве определяется динамическим равновесием между обратным и прямым током.

Подключение к внешней нагрузке

Омические контакты металл -полупроводник выполнены как со стороны n-типа, так и со стороны p-типа солнечного элемента, а электроды подключены к внешней нагрузке. Электроны, которые создаются на стороне n-типа или создаются на стороне p-типа, «собираются» переходом и переносятся на сторону n-типа, могут перемещаться по проводу, питать нагрузку и продолжать движение по проводу. пока они не достигнут контакта полупроводник-металл p-типа. Здесь они рекомбинируются с дыркой, которая была либо создана как пара электрон-дырка на стороне p-типа солнечного элемента, либо с дыркой, которая прошла через переход со стороны n-типа после того, как образовалась там.

Измеренное напряжение равно разнице квазиуровней Ферми основных носителей заряда (электронов на участке n-типа и дырок на участке p-типа) на двух выводах. ^[3]

Эквивалентная схема солнечного элемента

Чтобы понять электронное поведение солнечного элемента, полезно создать электрически эквивалентную модель , основанную на дискретных идеальных электрических компонентах, поведение которых четко определено. Идеальный солнечный элемент может быть смоделирован источником тока, подключенным параллельно диоду ; На практике ни один солнечный элемент не является идеальным, поэтому в модель добавляются шунтирующее сопротивление и последовательная составляющая сопротивления. ^[4] Результирующая эквивалентная схема солнечного элемента показана справа. Также слева показано схематическое изображение солнечного элемента для использования в принципиальных схемах. Существует несколько электрических моделей, которые отображают поведение солнечного элемента. Наиболее часто используемая из них представлена ​​ниже, но были предложены и другие новые модели, такие как d1MxP ^[5]

Характеристическое уравнение

Из эквивалентной схемы видно, что ток, вырабатываемый солнечным элементом, равен току, вырабатываемому источником тока, минус ток, протекающий через диод, минус ток, протекающий через шунтирующий резистор: ^{[6] [7]}

${\displaystyle I=I_{\text{L}}-I_{\text{D}}-I_{\text{SH}}}$

где

• I , выходной ток ( ампер )
• I _L , фотогенерируемый ток (ампер)
• I _D , ток диода (ампер)
• I _SH , шунтирующий ток (ампер).

Ток через эти элементы определяется напряжением на них:

${\displaystyle V_{\text{j}}=V+IR_{\text{S}}}$

где

• V _j , напряжение на диоде и резисторе R _SH ( вольт )
• V , напряжение на выходных клеммах (В)
• I , выходной ток (ампер)
• R _S , последовательное сопротивление ( Ом ).

По уравнению диода Шокли ток, проходящий через диод, равен:

${\displaystyle I_{\text{D}}=I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V_{\text{j}}}{nV_{\text{T}}}}\right]-1\right\}}$^[8]

где

• I ₀ , обратный ток насыщения (ампер)
• n , коэффициент идеальности диода (1 для идеального диода)
• q , элементарный заряд
• k , постоянная Больцмана
• Т , абсолютная температура
• ${\displaystyle V_{\text{T}}=kT/q,}$тепловое напряжение . При 25°С, вольт. ${\displaystyle V_{\text{T}}\approx 0.0259}$

По закону Ома ток, проходящий через шунтирующий резистор, равен:

${\displaystyle I_{\text{SH}}={\frac {V_{\text{j}}}{R_{\text{SH}}}}}$

где

• R _SH , сопротивление шунта (Ом).

Подстановка их в первое уравнение дает характеристическое уравнение солнечного элемента, которое связывает параметры солнечного элемента с выходным током и напряжением:

${\displaystyle I=I_{\text{L}}-I_{0}\left\{\exp \left[{\frac {V+IR_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}}}\right]-1\right\}-{\frac {V+IR_{\text{S}}}{R_{\text{SH}}}}.}$

Альтернативный вывод дает уравнение, похожее по внешнему виду, но с V в левой части. Две альтернативы являются тождествами ; то есть они дают совершенно одинаковые результаты.

Поскольку параметры I ₀ , n , RS и R _{SH не могут быть измерены} напрямую, наиболее распространенным применением характеристического уравнения является нелинейная регрессия для извлечения значений этих параметров на основе их совокупного влияния на поведение солнечного элемента. Онлайн-симулятор для извлечения параметров схемы можно найти на сайте SolarDesign. ^[9]

Когда RS не _равно нулю, приведенное выше уравнение не дает тока I напрямую, но затем его можно решить с помощью функции Ламберта W :

${\displaystyle I={\frac {(I_{\text{L}}+I_{0})-V/R_{\text{SH}}}{1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}}}}-{\frac {nV_{\text{T}}}{R_{\text{S}}}}W\left({\frac {I_{0}R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}(1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}})}}\exp \left({\frac {V}{nV_{\text{T}}}}\left(1-{\frac {R_{\text{S}}}{R_{\text{S}}+R_{\text{SH}}}}\right)+{\frac {(I_{\text{L}}+I_{0})R_{\text{S}}}{nV_{\text{T}}(1+R_{\text{S}}/R_{\text{SH}})}}\right)\right)}$

Когда с ячейкой используется внешняя нагрузка, ее сопротивление можно просто прибавить к RS и V _, установленным на ноль, чтобы найти ток.

Когда R _SH бесконечно, существует решение для V для любого меньшего : ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle I_{\text{L}}+I_{0}}$

${\displaystyle V=nV_{\text{T}}\ln \left({\frac {I_{\text{L}}-I}{I_{0}}}+1\right)-IR_{\text{S}}.}$

В противном случае можно найти V , используя функцию Ламберта W:

${\displaystyle V=(I_{\text{L}}+I_{0})R_{\text{SH}}-I(R_{\text{S}}+R_{\text{SH}})-nV_{\text{T}}W\left({\frac {I_{0}R_{\text{SH}}}{nV_{\text{T}}}}\exp \left({\frac {(I_{\text{L}}+I_{0}-I)R_{\text{SH}}}{nV_{\text{T}}}}\right)\right)}$

Однако, когда R _SH велико, исходное уравнение лучше решать численно.

Общая форма решения представляет собой кривую, где I уменьшается по мере увеличения V (см. графики ниже). Наклон при малом или отрицательном V (где функция W близка к нулю) приближается к , тогда как наклон при высоком V приближается к . ${\displaystyle -1/(R_{\text{S}}+R_{\text{SH}})}$ ${\displaystyle -1/R_{\text{S}}}$

Напряжение холостого хода и ток короткого замыкания

Когда ячейка работает в разомкнутой цепи , I = 0, а напряжение на выходных клеммах определяется как напряжение разомкнутой цепи . Если предположить, что сопротивление шунта достаточно велико, чтобы пренебречь последним членом характеристического уравнения, напряжение холостого хода V _OC составит:

${\displaystyle V_{\text{OC}}\approx {\frac {nkT}{q}}\ln \left({\frac {I_{\text{L}}}{I_{0}}}+1\right).}$

Аналогично, когда ячейка работает при коротком замыкании , V = 0 и ток I через клеммы определяется как ток короткого замыкания . Можно показать _, что для высококачественного солнечного элемента (низкие RS и I ₀ и высокие R _SH ) ток короткого замыкания I _SC составляет:

${\displaystyle I_{\text{SC}}\approx I_{\text{L}}.}$

Невозможно извлечь какую-либо мощность из устройства при работе в условиях разомкнутой цепи или короткого замыкания.

Влияние физического размера

Значения I _L , I ₀ , RS _и R SH _{зависят} от физического размера солнечного элемента. При сравнении идентичных в остальном ячеек ячейка с площадью перехода в два раза большей, чем другая, в принципе будет иметь двойные I _L и I ₀ , поскольку она имеет вдвое большую площадь, где генерируется фототок и через которую может протекать диодный ток. По тому же аргументу он также будет иметь половину последовательного _{сопротивления} RS , связанного с вертикальным потоком тока; однако для кремниевых солнечных элементов большой площади масштаб последовательного сопротивления, с которым сталкивается боковой поток тока, трудно предсказать, поскольку он будет решающим образом зависеть от конструкции сетки (неясно, что означает «в остальном идентично» в этом отношении). В зависимости от типа шунта более крупная ячейка также может иметь половину R _SH , поскольку у нее в два раза больше площади, где могут возникать шунты; с другой стороны, если шунты возникают преимущественно по периметру, то RSH _будет уменьшаться в соответствии с изменением окружности, а не площади.

Поскольку изменения токов являются доминирующими и уравновешивают друг друга, то напряжение холостого хода практически одинаково; V _OC начинает зависеть от размера ячейки только в том случае, если R _SH становится слишком низким. Чтобы учесть преобладание токов, характеристическое уравнение часто записывается в терминах плотности тока или тока, производимого на площадь элементарной ячейки:

${\displaystyle J=J_{\text{L}}-J_{0}\left\{\exp \left[{\frac {q(V+Jr_{\text{S}})}{nkT}}\right]-1\right\}-{\frac {V+Jr_{\text{S}}}{r_{\text{SH}}}}}$

где

• J , плотность тока (ампер/см ² )
• J _L , плотность фотогенерируемого тока (ампер/см ² )
• J ₀ , плотность обратного тока насыщения (ампер/см ² )
• r _S , удельное последовательное сопротивление (Ом·см ² )
• r _SH , удельное сопротивление шунта (Ом·см ² ).

Эта формулировка имеет ряд преимуществ. Во-первых, поскольку характеристики ячеек относятся к общей площади поперечного сечения, их можно сравнивать для ячеек разных физических размеров. Хотя это имеет ограниченную пользу в производственных условиях, где все элементы имеют тенденцию быть одинакового размера, это полезно в исследованиях и сравнении ячеек разных производителей. Еще одним преимуществом является то, что уравнение плотности естественным образом масштабирует значения параметров до одинаковых порядков величины, что может сделать их численное извлечение более простым и точным даже с использованием простых методов решения.

У этой формулировки есть практические ограничения. Например, важность некоторых паразитных эффектов возрастает по мере уменьшения размеров ячеек и может повлиять на извлекаемые значения параметров. Рекомбинация и загрязнение соединения имеют тенденцию быть максимальными по периметру клетки, поэтому очень маленькие клетки могут иметь более высокие значения J ₀ или более низкие значения R _SH , чем более крупные клетки, которые в остальном идентичны. В таких случаях сравнения ячеек следует проводить осторожно и с учетом этих эффектов.

Этот подход следует использовать только для сравнения солнечных элементов сопоставимой компоновки. Например, сравнение между преимущественно квадратичными солнечными элементами, такими как типичные солнечные элементы из кристаллического кремния, и узкими, но длинными солнечными элементами, такими как типичные тонкопленочные солнечные элементы, может привести к неверным предположениям, вызванным различными типами путей тока и, следовательно, влиянием, например, вклад распределенного последовательного сопротивления в r _S . ^{[10] [11]} Макроархитектура солнечных элементов может привести к тому, что различные площади поверхности будут помещены в любой фиксированный объем - особенно для тонкопленочных солнечных элементов и гибких солнечных элементов, которые могут позволять создавать сильно извилистые складчатые структуры. Если объем является связующим ограничением, то плотность эффективности, основанная на площади поверхности, может иметь меньшее значение.

Прозрачные проводящие электроды

Схема сбора заряда электродами солнечного элемента. Свет проходит через прозрачный проводящий электрод, создавая пары электронов и дырок, которые собираются обоими электродами. ^[12]

Прозрачные проводящие электроды являются важными компонентами солнечных элементов. Это либо сплошная пленка оксида индия и олова , либо проводящая сеть проводов, в которой провода являются коллекторами заряда, а пустоты между проводами прозрачны для света. Оптимальная плотность сети проводов важна для максимальной производительности солнечного элемента, поскольку более высокая плотность проводов блокирует пропускание света, а более низкая плотность проводов приводит к высоким рекомбинационным потерям из-за большего расстояния, проходимого носителями заряда. ^[12]

Температура ячейки

Влияние температуры на вольт-амперные характеристики солнечного элемента

Температура влияет на характеристическое уравнение двояко: напрямую, через Т в экспоненциальном члене, и косвенно, через влияние на I ₀ (строго говоря, температура влияет на все члены, но эти два гораздо значительнее остальных). В то время как увеличение T уменьшает величину показателя степени в характеристическом уравнении, значение I ₀ увеличивается экспоненциально с ростом T . Конечным эффектом является линейное снижение V _OC (напряжения холостого хода) с увеличением температуры. Величина этого снижения обратно пропорциональна VOC _; то есть элементы с более высокими значениями V _OC испытывают меньшее снижение напряжения с увеличением температуры. Для большинства солнечных элементов из кристаллического кремния изменение V _OC в зависимости от температуры составляет около -0,50%/°C, хотя для самых эффективных элементов из кристаллического кремния этот показатель составляет около -0,35%/°C. Для сравнения: для солнечных элементов из аморфного кремния этот показатель составляет от -0,20 до -0,30%/°C, в зависимости от того, как элемент изготовлен.

Величина фотогенерированного тока I _L незначительно увеличивается с ростом температуры из-за увеличения числа термически генерируемых носителей тока в ячейке. Однако этот эффект незначителен: около 0,065%/°C для элементов из кристаллического кремния и 0,09% для элементов из аморфного кремния.

Общее влияние температуры на эффективность ячейки можно рассчитать, используя эти факторы в сочетании с характеристическим уравнением. Однако, поскольку изменение напряжения намного сильнее, чем изменение тока, общее влияние на эффективность имеет тенденцию быть таким же, как и на напряжении. У большинства солнечных элементов из кристаллического кремния эффективность снижается на 0,50%/°C, а у большинства аморфных элементов - на 0,15–0,25%/°C. На рисунке выше показаны ВАХ, которые обычно можно увидеть для солнечного элемента из кристаллического кремния при различных температурах.

Последовательное сопротивление

Влияние последовательного сопротивления на вольт-амперные характеристики солнечного элемента

По мере увеличения последовательного сопротивления падение напряжения между напряжением перехода и напряжением на клеммах становится больше при том же токе. В результате контролируемая током часть кривой IV начинает провисать к началу координат, что приводит к значительному уменьшению напряжения на клеммах V и небольшому уменьшению I _SC , тока короткого замыкания. Очень высокие значения RS также приведут к значительному снижению I _{SC ;} в этих режимах преобладает последовательное сопротивление и поведение солнечного элемента напоминает поведение резистора. Эти эффекты показаны для солнечных элементов из кристаллического кремния на ВАХ-кривых, показанных на рисунке справа.

Потери, вызванные последовательным сопротивлением, в первом приближении определяются как _P loss ₌ V Rs _I = I 2 ^RS и увеличиваются квадратично с ростом (фото-)тока. Поэтому последовательные потери сопротивления наиболее важны при высокой интенсивности освещения.

Шунтирующее сопротивление

Влияние сопротивления шунта на вольт-амперные характеристики солнечного элемента

По мере уменьшения сопротивления шунта ток, отводимый через шунтирующий резистор, увеличивается для данного уровня напряжения перехода. В результате контролируемая напряжением часть кривой IV начинает провисать далеко от начала координат, что приводит к значительному уменьшению тока на клеммах I и небольшому уменьшению V _OC . Очень низкие значения R _SH приведут к значительному снижению _{содержания} VOC . Как и в случае с высоким последовательным сопротивлением, плохо шунтированный солнечный элемент будет иметь рабочие характеристики, аналогичные характеристикам резистора. Эти эффекты показаны для солнечных элементов из кристаллического кремния на ВАХ-кривых, показанных на рисунке справа.

Обратный ток насыщения

Влияние обратного тока насыщения на вольт-амперные характеристики солнечного элемента

Если предположить бесконечное сопротивление шунта, характеристическое уравнение можно решить для V _OC :

${\displaystyle V_{\text{OC}}={\frac {kT}{q}}\ln \left({\frac {I_{\text{SC}}}{I_{0}}}+1\right).}$

Таким образом, увеличение I ₀ приводит к уменьшению V _OC , пропорциональному обратному логарифму увеличения. Это математически объясняет причину снижения VOC _, сопровождающего описанное выше повышение температуры. Влияние обратного тока насыщения на ВАХ солнечного элемента из кристаллического кремния показано на рисунке справа. Физически обратный ток насыщения является мерой «утечки» носителей через pn-переход при обратном смещении. Эта утечка является результатом рекомбинации носителей в нейтральных областях по обе стороны от перехода.

Фактор идеальности

Влияние фактора идеальности на вольт-амперные характеристики солнечного элемента

Коэффициент идеальности (также называемый коэффициентом излучательной способности) — это подгоночный параметр, который описывает, насколько точно поведение диода соответствует предсказанному теорией, которая предполагает, что pn-переход диода представляет собой бесконечную плоскость и в области пространственного заряда не происходит рекомбинации. Идеальное соответствие теории отмечается, когда n = 1 . При рекомбинации в области пространственного заряда доминируют другие рекомбинации, однако n = 2 . Эффект изменения коэффициента идеальности независимо от всех других параметров показан для солнечного элемента из кристаллического кремния на ВАХ, показанных на рисунке справа.

Большинство солнечных элементов, которые довольно велики по сравнению с обычными диодами, хорошо аппроксимируют бесконечную плоскость и обычно демонстрируют почти идеальное поведение в стандартных условиях испытаний ( n ≈ 1 ). Однако при определенных условиях работы устройства может преобладать рекомбинация в области пространственного заряда. Это характеризуется значительным увеличением I ₀ , а также увеличением коэффициента идеальности до n ≈ 2 . Последнее имеет тенденцию увеличивать выходное напряжение солнечной батареи, тогда как первое снижает его. Таким образом, конечный эффект представляет собой комбинацию увеличения напряжения, показанного при увеличении n на рисунке справа, и уменьшения напряжения, показанного при увеличении I ₀ на рисунке выше. Обычно I ₀ является более значимым фактором, и результатом является снижение напряжения.

Иногда коэффициент идеальности превышает 2, что обычно связывают с наличием диода Шоттки или гетероперехода в солнечном элементе. ^[13] Наличие смещения гетероперехода снижает эффективность сбора солнечного элемента и может способствовать низкому коэффициенту заполнения.

Смотрите также

• Электродвижущая сила § Солнечная батарея

Рекомендации

1. Исследование Солнечной системы НАСА - Солнце: факты и цифры. Архивировано 3 июля 2015 г. на Wayback Machine , получено 27 апреля 2011 г. «Эффективная температура ... 5777 К».
2. Карлсон Д., Вронски К. (1985). «Солнечные элементы из аморфного кремния». Темы прикладной физики: Аморфные полупроводники: солнечные элементы из аморфного кремния . Темы прикладной физики. Том. 36. Шпрингер Берлин/Гейдельберг. стр. 287–329. дои : 10.1007/3-540-16008-6_164. ISBN 978-3-540-16008-3.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) ISBN  9783540160083 , 9783540707516 .
3. «Солнечный элемент под освещением». ПВ Маяк . Архивировано из оригинала 15 февраля 2016 года.
4. Эдуардо Лоренцо (1994). Солнечное электричество: разработка фотоэлектрических систем. Прогенса. ISBN 84-86505-55-0.
5. Маркес Ламейриньяс, Рикардо А.; П. Коррейя В. Бернардо, Катарина; Н. Торрес, Жоау Паулу; Вейга, Хелена Изабель; Мендонса душ Сантуш, Педро. «Моделирование влияния дефектов и трещин на работоспособность солнечных элементов с использованием дискретной модели d1MxP». Научные отчеты . дои : 10.1038/s41598-023-39769-0. ПМЦ 10393959 . 
6. Антонио Луке и Стивен Хегедус (2003). Справочник по фотоэлектрической науке и технике. Джон Уайли и сыновья. ISBN 0-471-49196-9.
7. Дженни Нельсон (2003). Физика солнечных батарей. Издательство Имперского колледжа. ISBN 978-1-86094-340-9. Архивировано из оригинала 31 декабря 2009 г. Проверено 13 октября 2010 г.
8. exp представляет показательную функцию
9. СоларДизайн
10. А.Г. Аберл, С.Р. Уэнам и М.А. Грин, «Новый метод точных измерений сосредоточенного последовательного сопротивления солнечных элементов», Труды 23-й конференции специалистов по фотоэлектрической энергии IEEE, стр. 113-139, 1993.
11. Нильсен, Л.Д., Эффекты распределенного последовательного сопротивления в солнечных элементах", Транзакции IEEE на электронных устройствах, том 29, выпуск 5, стр. 821–827, 1982.
12. Кумар, Анкуш (2017). «Прогнозирование эффективности солнечных элементов на основе прозрачных проводящих электродов». Журнал прикладной физики . 121 (1): 014502. Бибкод : 2017JAP...121a4502K. дои : 10.1063/1.4973117. ISSN  0021-8979.
13. Чавали, РВК; Уилкокс-младший; Рэй, Б.; Грей, Дж.Л.; Алам, Массачусетс (1 мая 2014 г.). «Коррелированные неидеальные эффекты темновых и световых характеристик I # x2013; V в солнечных элементах с гетеропереходом a-Si / c-Si». Журнал IEEE по фотоэлектрической энергии . 4 (3): 763–771. doi :10.1109/JPHOTOV.2014.2307171. ISSN  2156-3381. S2CID  13449892.

Внешние ссылки

• Калькулятор эквивалентной схемы фотоэлектрического маяка
• Объяснение химии — солнечные элементы от chemistryexplained.com