1.14: Сонячні елементи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 34489

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Тепер подивимося на зворотний процес генерації світла на мить. Розглянемо наступну ситуацію.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): P-N diode under illumination

У нас просто звичайний старий нормальний p-n перехід, тільки тепер, замість подачі зовнішньої напруги, ми уявляємо, що перехід висвітлюється світлом, енергія фотонів якого більше, ніж смуга пропускання. У цій ситуації замість рекомбінації ми отримаємо фотогенерацію пар електронних дірок. Фотони просто збуджують електрони з повних станів в валентній зоні, і «штовхають» їх вгору в зону провідності, залишаючи дірку позаду. (Це схоже на процес теплового збудження, про який ми говорили раніше). Як видно з малюнка\(\PageIndex{1}\), при цьому створюються надлишкові електрони в зоні провідності в p-стороні діода, і надлишкові дірки в валентній зоні n-сторони. Ці носії можуть розсіюватися до місця з'єднання, де вони будуть прометані вбудованим електричним полем в області виснаження. Якби ми з'єднали дві сторони діода разом з проводом, струм протікає через цей провід в результаті електронів і дірок, які рухаються через перехід.

Яким шляхом протікає струм? Швидкий погляд на Рисунок\(\PageIndex{1}\) показує, що отвори (позитивні носії заряду) генеруються на n-стороні, і вони плавають до p-сторони, коли вони йдуть через перехід. Звідси позитивний струм повинен виходити з анода, або p-боку переходу. Так само електрони, що генеруються на p-стороні, падають вниз по потенціалу переходу і виходять з n-сторони, але оскільки вони мають негативний заряд, цей потік являє собою струм, що йде в катод. Ми сконструювали фотоелектричний діод, або сонячну батарею! Малюнок\(\PageIndex{2}\) - це картина того, як би це виглядало схематично.

Фотонний потік надходить в фотоелектричний діод, який підключений до ланцюга без інших компонентів. З анода діода по цій схемі витікає струм i_photo, і різниці напруг на діоді немає. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схематичне зображення фотоелектричного елемента

Ми хотіли б розглянути можливість використання цього пристрою в якості джерела енергії, але те, як у нас є речі, налаштовані зараз, так як напруга на діоді дорівнює нулю, і оскільки потужність дорівнює струму раз напруга, ми бачимо, що ми отримуємо nada з комірки. Що нам потрібно, очевидно, це навантажувальний резистор, тому давайте поставимо один в. З малюнка повинно бути зрозуміло\(\PageIndex{3}\), що фотострум, що протікає через навантажувальний резистор, розвине напругу, яке він зміщує діод в прямому напрямку, що, звичайно, призведе до того, що струм перетікає назад в анод. Це ускладнює речі, здається, у нас виходить струм з діода і струм йде в діод все одночасно! Як ми будемо з'ясувати, що відбувається?

Фотоелектричний діод з'єднаний послідовно з навантажувальним резистором R_L в замкнутому ланцюзі. З анода діода виходить струм I, проходить через резистор, і надходить в катод діода. Існує позитивна різниця напруги v_out на резисторі, виміряна з боку ближче до анода діода щодо сторони ближче до катода. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Фотоелектричний елемент з навантажувальним резистором

Відповідь - зробити модель. Струм, який виникає внаслідок потоку фотонів, можна зручно представити як джерело струму. Ми можемо залишити діод як діод, і у нас є схема, показана на малюнку\(\PageIndex{4}\).

Джерело струму I_Photo, спрямоване вгору, і діод з анодом, зверненим вгору, з'єднані паралельно один одному до резистора R_L. на навантажувальному резисторі є напруга V_out, причому верхня сторона визначається як позитивна. Струм I_out тече в резистор, струм i_PV витікає з верхнього кінця резистора, а струм I_diode стікає вниз через діод, від анода до катода. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Модель фотоелектричної батареї

Незважаючи на те, що ми\(I_{\text{out}}\) показуємо вихід з пристрою, ми знаємо за звичайною конвенцією полярності, що коли ми визначаємо\(V_{\text{out}}\) як позитивний вгорі, то ми повинні показати струм для фотоелектричних\(I_{\text{pv}}\), як йде в діод зверху, що було зроблено на малюнку\(\PageIndex{4}\). Зауважте\(I_{\text{pv}} = I_{\text{diode}} - I_{\text{photo}}\), що все, що нам потрібно зробити, це відняти два струми; ми робимо це графічно на малюнку\(\PageIndex{5}\). Зверніть увагу, що ми пронумерували чотири квадранти на\(I \text{-} V\) графіку загального струму PV. У квадранті I та III добуток\(I\) і\(V\) є позитивним числом, що означає, що влада розсіюється в клітці. Для квадранта II і IV добуток\(I\) і\(V\) є негативним, і тому ми отримуємо потужність від пристрою. Очевидно, що ми хочемо працювати в IV квадранті. Насправді, без додавання зовнішнього акумулятора або джерела струму ланцюг буде працювати тільки в IV'му квадранті. Розглянемо регулювання\(R_{L}\), навантажувальний резистор від\(0\) (короткий) до\(\infty\) (розімкнутий). З\(R_{L} = 0\), ми були б у точці А на малюнку\(\PageIndex{5}\). Як\(R_{L}\) почне збільшуватися з нуля, напруга як на діоді, так і на резисторі теж почне збільшуватися, і ми перейдемо в точку Б, скажімо. Коли\(R_{L}\) стає все більше і більше, ми продовжуємо рухатися по кривій, поки, в точці С, де\(R_{L}\) є розімкнутий і ми маємо максимальну напругу на пристрої, але, звичайно, не виходить струм!

I-V графік I_Diode - це експоненціальна крива зростання, що починається з початку. I-V графік I_Photo - це пряма горизонтальна лінія позитивного I. Графік i_PV, який є I_Diode мінус I_Photo, є експоненціальною кривою зростання, яка починається в точці A, в -I_Photo на негативній осі y; дещо збільшується до точки B, розташованої в четвертому квадранті в правому нижньому куті квадрата пунктирних ліній з протилежним кутом біля початку; і збільшується далі до точки С, на осі x. — Малюнок\(\PageIndex{5}\): Поєднання діода і джерела струму

Потужність\(V \cdot I\) така в B, наприклад, потужність, що виходить, буде представлена областю, укладеною двома пунктирними лініями та осями координат. Десь про те, де у мене є точка B, де ми б отримати найбільшу потужність нашої сонячної батареї.

Малюнок\(\PageIndex{6}\) показує, як виглядатиме справжня сонячна батарея. Зазвичай вони виготовляються з повної пластини кремнію, щоб максимально збільшити корисну площу. Зверху робиться неглибокий\((0.25 \ \mu \mathrm{m})\) стик, а верхні контакти наносяться у вигляді смуг металевого провідника, як показано на малюнку. Поверх цього наноситься антивідбликове (AR) покриття, яке відповідає синюватому кольору, який має типовий сонячний елемент.

Вид збоку коливання сонячних батарей, шари знизу вгору є заднім контактом, шар p-кремнію товщиною 1/2-мм, шар n-кремнію товщиною 1/4 мкм, антивідблиску покриття та верхній контакт. — Малюнок\(\PageIndex{6}\): Справжній сонячний елемент

Потік сонячної енергії на земній поверхні (зручно) приблизно\(1 \ \frac{\mathrm{kW}}{\mathrm{m}^2}\), або\(100 \ \frac{\mathrm{mW}}{\mathrm{cm}^2}\). Отже, якби ми зробили сонячну батарею з пластиною діаметром 4 дюймів (типова), вона мала б площу приблизно\(81 \mathrm{~cm}^2\) і так би отримував потік приблизно\(8.1 \mathrm{~Watts}\). Типова ефективність клітин працює від приблизно\(10 \ \%\) до, можливо,\(15 \ \%\) якщо не використовуються спеціальні (і дорогі) хитрощі. Це означає, що ми\(1.2 \mathrm{~Watts}\) отримаємо приблизно з однієї пластини. Дивлячись на точку B на малюнку,\(\PageIndex{5}\) ми могли б здогадатися, що це\(V_{\text{out}}\) буде приблизно від 0,5 до 0,6 вольт, таким чином, ми могли б очікувати, щоб отримати, можливо, близько 2,5 ампер від 4-дюймової пластини при 0,5 вольт з\(15 \ \%\) ефективністю при освітленні одного сонця.