Wyjaśnienie krzywej I-V komórki słonecznej

Komórka słoneczna jest diodą z wejściem światłowym

Na węźle p-n w komórce fotowoltaicznej znajduje się taka sama podstawowa struktura jak rectyfikator, ale ze znacznym dodatkowym elementem: fotonów o dostatecznej energii uderzających na semikonduktor tworzą pary elektronów i wolnych elektronów, które węzeł z wbudowaną elektryczną polem rozdziela przed rekompozycją. Otrzymana ładunek rozdzielony jest prąd, który można wykorzystać z urządzenia. Całkowite zachowanie, zarówno w ciemności jak i pod światłem, jest opisane przez model jednodiodowy Shockley:

I = I_L - I_0 · [ exp(qV / (nkT)) - 1 ] - V / R_sh

I_L  = photogenerated current (∝ irradiance)
I_0  = diode reverse-saturation (dark) current
q    = electron charge, k = Boltzmann constant, T = temperature
n    = diode ideality factor (≈1-2)
R_sh = shunt resistance (leakage path), often folded in with series resistance R_s

Czytanie krzywej I–V komórki słonecznej

Wykreślaj prąd w zależności od napięcia, a dwie ekstrema wydostają się na powierzchnię: prąd przy krótkiej obwodowej połączeniu (Isc), który to jest podstawowym prądem L (I_L) w momencie, gdy wartości dioda i przewodnika znikają; oraz napięcie otwartego obwodu (Voc), które wynika z prądu generowanego przez światło, gdzie cała jego część jest neutralizowana przez przepływy przewidywane pod wpływem napiecia przódowego diody. Przez te dwa punkty krzywa tracę soft knee, a kształt tego kolana — nie tylko końce krzywej — decyduje o ilości dostarczanego przez komórkę energii używalnej.

Moc, czynnik napełnienia i punkt maksymalnej mocy

Moc jest prosto P = I·V, więc krzywa moc–napotkańczość (P–V) wynosi zero w obu punktach Isc i Voc, a jej maximum znajduje się gdzieś między nimi — tomaximum jest punktem maksymalnej mocy (MPP), a każda rzeczywista instalacja słoneczna używa sterownika MPPT (Maximum Power Point Tracking) do utrzymania działania dokładnie w tym miejscu, gdy natężenie światła i temperatura zmieniają się przez cały dzień. Jak blisko osiągnie rzeczywiste maximum mocowe teoretycznego limitu Isc × Voc to jest czynnik napełnienia:

FF = (I_mpp · V_mpp) / (Isc · Voc) PCE (efektywność konwersji mocy) = (I_mpp · V_mpp) / P_in = FF · Isc · Voc / P_in Czynnik napełnienia bliski 1 oznacza ostre skręcenie kolana krzywej I-V — idealną komórkę z minimalnym oporowaniem serii i brakem przepływu poziomym. Rzeczywiste komórki siarkowe osiągają czynnik napełnienia wokół 0,75–0,85; opór serii skręca kolano blisko Voc, a przepływ poziomy spada płaskiego półpikusa blisko Isc, co oba efekty sprowadzają FF i kosztują rzeczywistą moc.

FF = (I_mpp · V_mpp) / (Isc · Voc)
PCE (power conversion efficiency) = (I_mpp · V_mpp) / P_in = FF · Isc · Voc / P_in

Irrydencja i temperatura niszczą krzywą w przeciwnych kierunkach

Isc niemal liniowo skali się z irrydencją, ponieważ prąd fotogeneiczny jest bezpośrednio proporcjonalny do stopnia pochłaniania fotonów — podziel światło słoneczne pół i Isc prawie podważy. Voc odpowiada znacznie mniej silnie, tylko logarytmicznie (wprowadza się przez wyrażenie exp w równaniu diody), więc na chmurnym dniu prąd spada znacząco szybciej niż napięcie. Temperatura ma przeciwny charakter: wzrost temperatury zwiększa koncentrację niestabilnych ładunków i zatem I_0, co wpływa na spadek Voc (typowa komora słoneczna straci około 0,3-0,4% Voc za każdy stopień Celsjusza), podczas gdy Isc rzeczywiście wzrasta lekko ze wzrostem temperatury z powodu zaznaczającego się skrócenia przekroju bandowego. Efekt netto jest taki, że ciepłe komory słoneczne produkują znacząco mniej mocy niż chłodne pod tym samym poziomem irrydencji — to rzeczywisty korektor efektywności, który opisywany jest w arkuszach danych komórek słonecznych jako współczynnik temperatury.

Podkład diagramu poziomów energii

Pole wewnętrzne granicy p-n pochodzi z nachylenia poziomów energii na tej granicy: większość przewodników rozpraszają się do momentu, gdy stworzone pole elektryczne powstające z wynikłego ładunku stało się wystarczająco silnym, aby zaprzestać dalszej rozpraszania netto, pozostawiając obszar deplecji o wewnętrznej naprężonej potencjalności. Foton pochwycony wewnątrz lub blisko tego obszaru deplecji tworzy parę elektron-holownika, które pole natychmiast rozdziela — elektron w stronę strony n, holownik w stronę strony p — zanim mogą one się ponowno połączyć. Fotony pochwycone za daleko od granicy generują pary, które większość czasu ponawiają przed ich zbiorcovaniem, co jest powodem dla tego, że grubość komórki i długość rozpraszania przewodników mniejszościowych są kluczowymi parametrami projektowania, a nie incydentami.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Solar Cell I–V Curve i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.