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 2022-11-05 11:05:54

Solar cell

A solar cell is a device that converts the energy of sunlight directly into electricity by the photovoltaic effect. Sometimes the term solar cell is reserved for devices intended specifically to capture energy from sunlight such as solar panels and solar cells, while the term photovoltaic cell is used when the light source is unspecified. Assemblies of cells are used to make solar panels,solar modules, or photovoltaic arrays. Photovoltaics is the field of technology and research related to the application of solar cells in producing electricity for practical use. The energy generated this way is an example of solar energy (also known as solar power).

History of solar cells

The term 'photovoltaic' comes from the Greek phi;ῶsigmaf; (phōs) meaning 'light', and 'voltaic',meaning electric, from the name of the Italian physicist Volta, after whom a unit of electromotive force, the volt, is named. The term 'photovoltaic' has been in use in English since 1849.The photovoltaic effect was first recognized in 1839 by French physicist A. E. Becquerel.However, it was not until 1883 that the first solar cell was built, by Charles Fritts, who coated the semiconductor selenium with an extremely thin layer of gold to form the junctions. The device was only around 1% efficient. Subsequently Russian physicist Aleksandr Stoletov built the first solar cell based on the outer photoelectric effect (discovered by Heinrich Hertz earlier in 1887).Albert Einstein explained the photoelectric effect in 1905 for which he received the Nobel prize in Physics in 1921. Russell Ohl patented the modern junction semiconductor solar cell in 1946, which was discovered while working on the series of advances that would lead to the transistor.

Applications and implementations

Solar cells are often electrically connected and encapsulated as a module. Photovoltaic modules often have a sheet of glass on the front (sun up) side, allowing light to pass while protecting the semiconductor wafers from the elements (rain, hail, etc.). Solar cells are also usually connected in series in modules, creating an additive voltage. Connecting cells in parallel will yield a higher current. Modules are then interconnected, in series or parallel, or both, to create an array with the desired peak DC voltage and current.

The power output of a solar array is measured in watts or kilowatts. In order to calculate the typical energy needs of the application, a measurement in watt-hours, kilowatt-hours or kilowatt-hours per day is often used. A common rule of thumb is that average power is equal to 20% of peak power, so that each peak kilowatt of solar array output power corresponds to energy production of 4.8 kWh per day (24 hours x 1 kW x 20% = 4.8 kWh) .

To make practical use of the solar-generated energy, the electricity is most often fed into the electricity grid using inverters (grid-connected photovoltaic systems); in stand-alone systems,batteries are used to store the energy that is not needed immediately.Solar cells can also be applied to other electronics devices to make it self-power sustainable in the sun. There are solar cell phone chargers, solar bike light and solar camping lanterns that people can adopt for daily use.

Simple explanation

1. Photons in sunlight hit the solar panel and are absorbed by semiconducting materials, such as silicon.

2. Electrons (negatively charged) are knocked loose from their atoms, allowing them to flow through the material to produce electricity. Due to the special composition of solar cells, the electrons are only allowed to move in a single direction.

3. An array of solar cells converts solar energy into a usable amount of direct current (DC) electricity.

Photogeneration of charge carriers

When a photon hits a piece of silicon, one of three things can happen:

  1. the photon can pass straight through the silicon — this (generally) happens for lower energy photons.
  2. the photon can reflect off the surface.
  3. the photon can be absorbed by the silicon, if the photon energy is higher than the silicon band gap value. This generates an electron-hole pair and sometimes heat, depending on the band structure.

When a photon is absorbed, its energy is given to an electron in the crystal lattice. Usually this electron is in the valence band, and is tightly bound in covalent bonds between neighboring atoms,and hence unable to move far. The energy given to it by the photon 'excites' it into the conduction band, where it is free to move around within the semiconductor. The covalent bond that the electron was previously a part of now has one fewer electron — this is known as a hole. The presence of a missing covalent bond allows the bonded electrons of neighboring atoms to move into the 'hole,' leaving another hole behind, and in this way a hole can move through the lattice.Thus, it can be said that photons absorbed in the semiconductor create mobile electron-hole pairs.A photon need only have greater energy than that of the band gap in order to excite an electron from the valence band into the conduction band. However, the solar frequency spectrum approximates a black body spectrum at ~6000 K, and as such, much of the solar radiation reaching the Earth is composed of photons with energies greater than the band gap of silicon. These higher energy photons will be absorbed by the solar cell, but the difference in energy between these photons and the silicon band gap is converted into heat (via lattice vibrations — called phonons) rather than into usable electrical energy.

Charge carrier separation

There are two main modes for charge carrier separation in a solar cell:

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太阳能电池

太阳能电池是通过光伏效应将太阳光的能量直接转化为电能的装置。通常太阳能电池专门用于描述太阳能板和太阳能电池等从太阳能捕获能量的设备,而光源未指定时称为光电池。太阳能电池可用于制造太阳能电池板,太阳能组件或光伏阵列。太阳能电池属于与太阳能生电实际应用相关的技术和研究领域。这样产生的能量就是太阳能。

太阳能电池发展简史

英文单词'photovoltaic'(光伏效应)来自希腊语,'photo'意思为“光”,'voltaic',意思为“电”,来自意大利物理学家伏尔塔,电动势单位就是以该科学家的名字命名,为伏特。1849年之后,英语中就一直在使用'photovoltaic'(光伏效应)一词描述光能转化为电能的现象。早在1839年,法国物理学家亚历山大bull;埃德蒙bull;贝克勒尔就首先发现了光伏效应。然而直到1883年,第一个太阳能电池才被查尔斯 弗里兹制备出来,他发现在半导体硒的表面涂上一层极薄的金薄膜后可产生光伏效应。然而这个太阳能电池的转换效率只有百分之一左右。随后俄罗斯物理学家亚历山大·史托勒托夫建立了第一个基于外部光电效应的太阳能电池(这一原理由亨力奇bull;赫兹早在1887年发现)。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年解释了什么是光电效应,并凭此在1921年获得了诺贝尔物理学奖。罗素·奥尔在1946年关于现代结型半导体太阳能电池的发现将推动晶体管的一系列进步与发展。

应用与实现

太阳能电池通常采用电气性连接并封装为一个模块。光伏模块的前面板(获取太阳光的那一面)会覆盖一张允许光纤通过的玻璃板,同时保护同时保护半导体晶片免受一些外界因素(雨,冰雹等)的影响。在模块里太阳能电池也采用串联连接,产生一个附加的电压。而并联连接太阳能电池则会产生一个更大的电流。所以实际应用中通常会将太阳能电池模块或串联或并联或两者互联,以产生期望的直流电压和电流峰值的阵列。

太阳能电池阵列的功率输出以瓦特或千瓦为单位。为了计算在应用中的典型能量需求,通常采用瓦特/时,千瓦时或千瓦时每天作为标准测量单位。一个通用的计算方法使平均功率等于峰值功率的百分之二十,

为了在实际应用中能够使用太阳能进行发电,通常在光伏并网系统中使用逆变器。在独立的系统中,电池用于储存那些不需要的能量。太阳能电池也可以应用于其他电子设备,使其在太阳光照下可以持续给自己供能。如人们日常使用的太阳能手机充电器,太阳能自行车灯和太阳能野营灯等。

解释

  1. 阳光中的光子撞击太阳能电池板,并被半导体材料(如硅)所吸收。
  2. 电子(带负电荷)脱离了原子核的束缚,使得他们流过材料以产生电力。 由于太阳能电池的特殊组成,电子只能沿单一方向移动。
  3. 太阳能电池阵列将太阳能转换成直流(DC)电。

载流子的光生作用

当一颗光子撞到一块硅片上时,就有可能发生以下情形:

  1. 光子直接穿过硅片——这通常发生在能量较低的光子身上。
  2. 光子从硅片表面反射回来。
  3. 如果光子的能量高于硅的带隙值,那么光子则会被硅吸收。当光子被吸收通常会产生电子-空穴对,有时也会产生热量,这取决于导带的结构。

当光子被吸收时,它的能量将被赋予给晶格中的电子。这个电子通常处在价带中,并且被相邻原子之间的共价键所束缚,不能逃脱。但吸收光子给予它的能量使它激发到导带,从而可以在半导体内自由的移动。由于电子被激发到了导带从而使得原先的共价键缺少了一个电子即产生了一个空穴。而这个缺少电子的共价键又允许相邻原子的键合电子移动到这个空穴中,留下另一个空穴,并以这样的方式使得空穴可以通过晶格移动。因此,吸收的光子使得半导体产生了移动的电子-空穴对。光子仅需要比带隙更大的能量就能将电子从价带激发到导带中。而太阳能的频谱近似于约6000K的黑体光谱,因此到达地球的大部分太阳辐射都由大于硅带隙的光子组成。这些较高能量的光子将被太阳能电池吸收,但是这些光子与硅带隙之间的能量差异被转化为热能(通过晶格振动——称为声子)而不是可用的电能。

载流子的运动

太阳能电池中载流子的运动方式主要有两种:

  1. 载流子的漂移,由外部建立的静电场驱动。
  2. 载流子从高浓度区域到低浓度区域的扩散(遵循电化学势的梯度)。

在广泛使用的p-n结太阳能电池中,载流子的主要运动模式是漂移。 然而,在非pn结太阳能电池(典型的第三代太阳能电池研究如染料和聚合物太阳能电池)中,已经证实一般静电场不存在,并且主要运动模式是载流子的扩散。

P-N结

最常见的太阳能电池是由硅制成的大面积的P-N结。简单来说,可以想象成为将N型硅半导体与一层P型半导体直接接触。但在实际应用中,硅太阳能电池的P-N结并不是以这种方式制造的,而是通过将N型掺杂剂扩散到P型晶片的一侧(或反之亦然)。

如果将P型半导体与N型半导体紧密接触,则电子将从高浓度区域(N型区)扩散到低浓度区域(P型区)。当扩散的电子穿过P-N结时,它们将与P型区中的孔重新组合。然而,载流子的扩散不会无限期地发生,因为电荷在P-N结的两侧集聚并产生了电场,电场将促进电荷的流动产生电流,成为漂移电流,它与电子的扩散方向相反,并最终会与电子的扩散达到平衡。电子和空穴在P-N结上进行扩散运动的区域被成为耗尽层,因为它不再含有任何移动的载流子,也被成为空间电荷区。

连接外部负载

在太阳能电池的N型半导体和P型半导体两侧都设置有金属半导体触点,并通过电极连接到外部负载。在N型区域产生的或已经与空穴结合运动到N型区域的电子可以通过导线为负载供电,并继续通过导线到达P型半导体。在这里,他们将与P型区域产生的空穴或通过P-N结运动过来的空穴进行结合。在此上测得的电压等于少数载流子的准费米能级的差,即P型区域中的电子和N型区域中的空穴。

太阳能电池原理图符号和太阳能电池等效电路

要了解太阳能电池的电子特性,需要创建一个基于基本电器部件的电子等效模型。理想的太阳能电池可以由于二极管并联的电流源来进行建模。在实际中并没有理想的太阳能电池,所以在模型在加入了分流电阻和串联电阻分量。以此得到的太阳能电池的等效电路如图右侧,左图还显示了用于电路图的太阳能电池示意图。

特征方程

从等效电路可以看出,太阳能电池产生的电流等于由电流源产生的电流减去流过二极管的电流减去流过分流电阻的电流值:

其中

  • I 为输出电流(安培);
  • 为光生电流(安培);
  • 为二极管电流(安培);
  • 为分流电流(安培)。

这些元件所流过的电流由加在两边的电压控制:

其中

  • 为二极管和电阻两端的电压(伏特);
  • 为输出电压(伏特);
  • I为输出电流(安培);
  • 为串联电阻(欧姆)。

由肖克利二极管方程可得通过二极管的转移电流为:

其中

  • 为反向饱和电流(安培);
  • n为二极管理想因子(理想二极管n为1);
  • q为基本电荷;
  • k为玻尔兹曼常数;
  • T为绝对温度;
  • 在25°C,kT/qasymp;0.0259伏特。

由欧姆定律,通过分流电阻的转移电流为:

其中

  • 为分流电阻(欧姆)。

将以上公式带入第一个方程式得到与太阳能电池参数、输出电流和电压相关的特征方程:

两个方程式的结构方式很相似,只是后一个运用了电压值。这两种方程式是一致的,也就是说,他们具有完全相同的结果。

原则上,给定电压V的值就可以求解该方程得到该电压下的工作电流I。然而,由于I存在于方程式的两端够成超越方程,所以这个方程并没有一般的解析解。不过,即使无解这在物理上也是具有启发性的。此外,用数值计算方法也可以解决这个问题。也就是使用朗伯W函数可以得到方程的一般解析解,但是由于朗伯W函数本身就必须以数值计算方法求解,这是个技术性问题。由于参数、n、、不能够直接测量,所以特征方程最常见的应用是通过基于它们对太阳能电池的组合效应的非线性回归来提取这些参数。

开路电压和短路电流

当电池处于开路状态时,I=0,此时的输出电压则为开路电压。假设分流电阻足够大则可忽略方程最后一项,那么开路电压为:

类似的,当电池短路时,V=0,此时通过的电流为短路电流。可以看出,对于高品质的太阳能电池(低和I,高R),短路电流为:

太阳能电池尺寸的影响

方程中、和的值取决于太阳能电池的物理尺寸。在其他条件相同的情况下,原子上具有两倍表面积的电池原则上就会产生两倍的,因为它具有电流可以通过的两倍的结面积。它还具有一半的和,因为它具有电流流过横截面积的两倍。因此,特征方程通常以电流密度或每单位晶胞产生的电流来表示:

其中

  • J为电流密度(安倍每立方厘米);
  • 为光生电流密度(安倍每立方厘米);
  • 为反向饱和电流密度(安倍每立方厘米);

  • 为特定的串联电阻(欧姆-平方厘米);
  • 为特定的芬楼电阻(欧姆-平方厘米)。

这个特征方程有以下几个优点。一是因为电池特性参考了一个共同的横截面积,所以可以将他们与不同物理尺寸的电池进行比较。尽管所有的电池都趋于相同的尺寸这使得在生产过程中有局限性,但这在研究和比较不同制造商之间的电池是有意义的。另一个优点就是,密度方程可以将参数值缩放到相似的数量级,这样即使是用最直接的解决方法也可以使参数提取更简单更准确。

然而这样表述的特征方程在实际应用中也有局限性。例如,某些寄生效应随着电池尺寸的缩小而增加,从而可能影响提取的参数值。在电池周边发生结的重组和污染的可能性最大,所以非常小的电池可能与其他条件相同的电池相比有着更大的值或者更低的值。在这种情况下进行电池直接的比较时要更谨慎并且考虑到这些影响。

这种方法只能应用与比较具有类似的物理尺寸的太阳能电池。例如,比较两种太阳能电池,方形的如典型的晶体硅太阳能电池和典型的薄膜太阳能电池这样狭长的太阳能电池就可能会导致由不同的电流路径而引起错误的假设,从而影响到分布式串联电阻。

电池温度

温度对太阳能电池电流 - 电压特性的影响

温度以两种方式影响特征方程:一是直接通过指数项中的T,二是间接的通过产生影响。严格来说温度对所有参数都造成影响,但是这两个的变化比其他的参数更为明显。虽然温度的增加会减小特征方程中指数的大小,但是反向电流的值会随着温度T指数增加。净效应是只随着温度的升高而线性的减小开路电压,而减少的幅度与开路电压成反比,也就是说,具有较高开路电压值的电池应随温度的升高而降低电压。对于大多数晶体硅太阳能电池,尽管最高效率的晶体硅电池的降低率为0.35%/°C,但其还原率为0.50%/°C。相比较来说,非晶体硅太阳能电池的速率为0.20-0.30%/°C,这取决于电池的制造方式。

由于电池中载流子数量增加产生热,光生电流也将会随着温度的升高而略微的增加。不过这种影响很轻微:晶体硅太阳能电池月为0.065%/°C,非晶体硅太阳能电池为0.09%/°C。

温度对太阳能电池效率的总体影响可以用这些因素的特征方程组来计算。然而,由于电压的变化比电流的变化要明显得多,所以对效率的总体影响与电压影响的效果相似。大多数晶体硅太阳能电池的效率下降0.50%/°C,大多数非晶体硅太阳能电池下降0.15-0.25%/°C。上图显示了各种温度下观察到的晶体硅太阳能电池的I-V曲线。

串联电阻

随着串联电阻的增加,对于相同的电流,结电压和端电压之间的电压降变大。这样导致的结果就是I-V曲线的电流控制部分开始向原点下垂,产生了端电压的显著降低以及短路电流的略微减小。而高串联电阻值也会使得短路电流下降得很明显。在这些因素中,串联电阻占主导地位,此时太阳能电池就类似于一个电阻器。下图显示了串联电阻对晶体硅太阳能电池I-V曲线的影响。

串联电阻对太阳能电池电流-电压特性的影响

串联电阻引起的损耗是由公式给出的第一近似值,并加上(光)电流的平方。因此,高照明强度下串联电阻的损耗是最主要的。

分流电阻

分流电阻对太阳能电池电流 - 电压特性的影响

由于并联会使总电阻降低,通过分流电阻的将转移电流会在结电压范围内增加。这导致I-V曲线的电压控制部分开始向原点下垂,从而产生输出电流的显著降低和开路电压的轻微降低。与较高的串联电阻相比,一个很小的分流电阻就能使太阳能电池具有与电阻器相似的工作特性。上图显示了分流电阻对晶体硅太阳能电池I-V曲线的影响。

反向饱和电流

反向饱和电流对太阳能电池电流 - 电压特性的影响

如果假设分流电阻为无穷大,可以求解的特征方程:

因此,的增加产生与

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