¿Como funcionan los paneles solares?

¿Como funcionan los paneles solares? 

Primero, presentemos el principio de funcionamiento de la celda solar, con la energía global cada vez más tensa, la energía solar como una nueva energía se ha desarrollado vigorosamente, en la que más usamos en la vida son las celdas solares. Las células solares están hechas principalmente de materiales semiconductores. La conversión fotoeléctrica ocurre cuando los materiales fotoeléctricos absorben energía luminosa para producir corriente.

Cuál es el ¿Funcionamiento de las células solares? Las células solares son dispositivos que convierten directamente la energía solar en electricidad a través de efectos fotoeléctricos o fotoquímicos. Cuando la luz del sol incide sobre un semiconductor, parte de ella se refleja en la superficie y el resto es absorbido o transmitido por el semiconductor. Parte de la luz absorbida, por supuesto, se calienta, mientras que otros chocan con los electrones de valencia de los átomos que forman el semiconductor, produciendo pares de huecos de electrones. De esta manera, la energía luminosa se convierte en energía eléctrica en forma de pares de huecos de electrones.

1, la base física de las células solares

Cuando el sol ilumina la unión pn, los electrones en el semiconductor emiten electrones porque han obtenido la energía de la luz, y los pares electrón-hueco se producen en consecuencia. Bajo la acción del campo eléctrico de barrera, los electrones son conducidos a la región tipo y los huecos son conducidos a la región tipo P, de modo que hay electrones sobrantes en el área y hay huecos sobrantes en la región P. Así, el campo fotoeléctrico opuesto al campo eléctrico potencial se forma cerca de la unión pn.

Si existe una unión PN en un semiconductor, se formará un campo eléctrico de barrera a ambos lados de la unión PN, que puede conducir electrones a la región N y huecos a la región P. Como resultado, hay electrones sobrantes en la región N y huecos en la región P.

Hay más de diez tipos de materiales semiconductores que fabrican células solares, por lo que hay muchos tipos de células solares. En la actualidad, la célula solar más madura y comercialmente valiosa es la célula solar de silicio. A continuación, tomamos una celda solar de silicio como ejemplo para presentar en detalle el principio de funcionamiento de las celdas solares.

1). Semiconductor intrínseco

La conductividad de la materia depende de la estructura atómica. Los conductores son generalmente elementos de baja valencia y sus electrones más externos se separan fácilmente del núcleo y se convierten en electrones libres. Bajo la acción de un campo eléctrico externo, producen un movimiento direccional, formando una corriente eléctrica. Los elementos de alta valencia (como los gases inertes) o los polímeros (como el caucho), sus electrones más externos están fuertemente unidos por el núcleo, es difícil que se conviertan en electrones libres, por lo que la conductividad es muy pobre, se convierten en aislantes. El silicio (Si) y el germanio (Ge) son elementos tetravalentes, y sus electrones más externos no se liberan tan fácilmente de los enlaces de los núcleos como los conductores, ni se unen tan estrechamente a los núcleos como los aislantes, por lo que su conductividad está entre ellos.

Un semiconductor puro se convierte en un solo cristal a través de cierto proceso, a saber, un semiconductor intrínseco. Los átomos en los cristales forman arreglos ordenados en el espacio y los átomos adyacentes forman enlaces covalentes.

Los enlaces covalentes en los cristales tienen una fuerte fuerza de unión, por lo que a temperatura ambiente, solo unos pocos electrones de valencia obtienen suficiente energía debido al movimiento térmico (excitación térmica), rompiendo así el enlace en electrones libres. Al mismo tiempo, queda un hueco en el enlace covalente. El átomo se carga positivamente al perder un electrón de valencia, o el hueco se carga positivamente. En los semiconductores intrínsecos, los electrones libres y los huecos aparecen por pares, es decir, el número de electrones libres y huecos es igual.

Si los electrones libres encuentran agujeros en el proceso de movimiento, llenarán los agujeros y desaparecerán al mismo tiempo. Este fenómeno se llama recombinación. A cierta temperatura, el número de pares de electrones libres y huecos producidos por la excitación intrínseca es igual al número de pares de electrones libres y huecos compuestos, por lo que se logra el equilibrio dinámico.

Teoría de bandas:

a,Cuando los electrones en un solo átomo se mueven alrededor del núcleo, los electrones en cada órbita tienen su propia energía específica.

b, cuanto más cerca de la órbita nuclear, menor es la energía de los electrones.

c, Según el principio de mínima energía, los electrones siempre ocupan el nivel más bajo de energía.

d, La banda de energía ocupada por los electrones de valencia se llama banda de valencia.

e, Hay una banda prohibida por encima de la banda de valencia. No hay nivel de energía ocupado por electrones en la banda prohibida.

f, Por encima de la banda prohibida está la banda de conducción. El nivel de energía en la banda de conducción es el nivel de energía que puede ocupar el electrón de valencia cuando se separa del enlace covalente.

g, el ancho de banda prohibido se expresa por Eg, y su valor está relacionado con el material y la temperatura del semiconductor. T=300K, Eg=1,1eV de silicio, Eg=0,72eV de germanio.

2). Semiconductor de impurezas

Semiconductor de impureza: el semiconductor de impureza se puede obtener agregando una pequeña cantidad de elementos de impureza al semiconductor intrínseco a través del proceso de difusión.

Los semiconductores de tipo N y tipo P se pueden formar de acuerdo con los elementos de impureza dopados, y la conductividad de los semiconductores de impureza se puede controlar controlando la concentración de los elementos de impureza dopados.

Semiconductores de tipo N: los semiconductores de tipo N se forman agregando elementos pentavalentes (como el fósforo) a cristales de silicio puro para reemplazar los átomos de silicio en la red.

Debido a que el átomo de impureza tiene cinco electrones de valencia en su capa más externa, tiene un electrón más además de formar un enlace covalente con el átomo de silicio que lo rodea. Los electrones están libres de enlaces covalentes y se convierten en electrones libres. En los semiconductores de tipo N, la concentración de electrones libres es mayor que la de los huecos, por lo que los electrones libres se denominan portadores mayoritarios y los huecos portadores minoritarios. Debido a que los átomos de impurezas pueden proporcionar electrones, se les llama átomos donantes.

Semiconductores de tipo P: cristales de silicio puro dopados con elementos trivalentes (como el boro), de modo que reemplaza la posición de los átomos de silicio en la red, la formación de un semiconductor de tipo P.

Debido a que la capa más externa del átomo de impureza tiene tres electrones de valencia, cuando forman un enlace covalente con el átomo de silicio circundante, se crea una "vacante", y cuando la capa más externa del átomo de silicio llena la vacante, se crea un agujero en el enlace covalente Por lo tanto, en el semiconductor P, los huecos son muchos y los electrones libres son pocos. Debido a que las vacantes en los átomos de impurezas absorben electrones, se denominan átomos aceptores.

3). Unión PN

Unión PN: la unión PN se forma en la interfaz del semiconductor de tipo P y el semiconductor de tipo N fabricados en la misma oblea de silicio mediante un proceso de dopaje diferente.

Movimiento de difusión: una sustancia siempre se mueve de un lugar de alta concentración a un lugar de baja concentración. Este movimiento debido a la diferencia de concentración se llama movimiento de difusión.

Cuando un semiconductor de tipo P y un semiconductor de tipo N se fabrican juntos, la concentración de los dos portadores varía mucho en sus interfaces, por lo que el hueco en la región P debe difundirse hacia la región N. Mientras tanto, los electrones libres en la región N deben difundirse a la región P, como se muestra en la figura.

Como los electrones libres difundidos en la región P se recombinan con los huecos, y los huecos difundidos en la región N se recombinan con los electrones libres, la concentración de muchos electrones disminuye cerca de la interfase, la región de iones negativos aparece en la región P y la la región de iones positivos aparece en la región N. No se pueden mover, lo que se denomina región de carga espacial, formando así el campo eléctrico incorporado-epSILon;.

A medida que avanza la difusión, la región de carga espacial se ensancha y el campo eléctrico incorporado se fortalece. La dirección del campo eléctrico incorporado apunta desde la región N a la región P, lo que impide que se produzca la difusión.

Movimiento de deriva: bajo la acción de la fuerza del campo eléctrico, el movimiento de los portadores se denomina movimiento de deriva.

Cuando se forma la región de carga espacial, el portador minoritario se desplaza, el hueco se mueve de la región N a la región P y el electrón libre se mueve de la región P a la región N. En ausencia de un campo eléctrico externo y otras excitaciones, el número de múltiples partículas que participan en el movimiento de difusión es igual al número de pocas partículas que participan en el movimiento de deriva, logrando así un equilibrio dinámico y formando una unión PN, como se muestra en la figura. la figura. En este momento, la región de carga espacial tiene un cierto ancho, la diferencia de potencial es =Uho y la corriente es cero.

2, las células solares

1). Efecto fotovoltaico:

La conversión de energía fotovoltaica de Las células solares se basan en la fotovoltaica efecto de la unión pn semiconductora. Como se mencionó anteriormente, los fotones con energía superior a la banda prohibida del silicio pasan a través de la película antirreflectante al silicio cuando son iluminados por un dispositivo fotovoltaico semiconductor, y los pares de huecos de electrones fotogenerados se excitan en las regiones N, de agotamiento y P.

Zona de agotamiento: los pares de huecos de electrones fotogenerados están separados por el campo eléctrico incorporado inmediatamente después de que se generan en la zona de agotamiento. Los electrones fotogenerados se alimentan a la zona N y los huecos fotogenerados se empujan a la zona P. Según la condición de aproximación de agotamiento, la concentración de portadores en el límite de la región de agotamiento es aproximadamente 0, es decir, p=n=0.

En la región N, los huecos fotogenerados se difunden hacia el límite de la unión PN después de que se forman los pares electrón-hueco fotogenerados. Una vez que alcanzan el límite de la unión PN, se ven inmediatamente afectados por el campo eléctrico incorporado. Son atraídos por la fuerza del campo eléctrico y se desplazan a través de la región de agotamiento hacia la región P. Los electrones fotogenerados (polielectrones) quedan en la región N.

En la región P, los electrones fotogenerados (electrones minoritarios) ingresan a la región N primero debido a la difusión y luego a la deriva, y los huecos fotogenerados (polielectrones) permanecen en la región P. La acumulación de cargas positivas y negativas en ambos lados de la unión PN da como resultado el almacenamiento del exceso de electrones en la región N y los huecos restantes en la región P. Formando así un campo fotoeléctrico opuesto al campo eléctrico incorporado.

a, Además de contrarrestar parcialmente el efecto del campo eléctrico de barrera, el campo fotovoltaico también hace que la región P sea positiva y la región N negativa, y la fuerza electromotriz se genera en la capa delgada entre la región N y la región P, que se llama efecto fotovoltaico. Cuando la batería está conectada a una carga, la fotocorriente fluye desde la región P a la región N a través de la carga y la potencia de salida se obtiene de la carga.

b, Si se abren los extremos de las uniones PN, se puede medir la fuerza electromotriz, que se denomina tensión de circuito abierto Uoc. Para las baterías de silicio cristalino, el valor típico del voltaje de circuito abierto es de 0,5 ~ 0,6 V.

c, si el circuito externo está en cortocircuito, hay una corriente en el circuito externo que es proporcional a la energía de la luz incidente. Esta corriente se denomina corriente de cortocircuito Isc.

Factores que afectan la fotocorriente:

a, Cuantos más pares de huecos de electrones produzca la luz en la capa de interfaz, mayor será la corriente.

b, Cuanta más energía luminosa absorba la capa interfacial, mayor será el área de la capa interfacial, es decir, la célula, y mayor será la corriente formada en la célula solar.

c, los portadores fotoinducidos se pueden generar en la región N, la región de agotamiento y la región P de las células solares.

d, los portadores fotogenerados en cada región deben pasar por la región de empobrecimiento antes de la recombinación para contribuir a la corriente óptica. Por lo tanto, la generación y la recombinación, la difusión y la deriva en cada región deben tenerse en cuenta al resolver la corriente fotogenerada real.

Circuito equivalente, potencia de salida y factor de llenado de celdas solares

A，Circuito equivalente

Para describir el estado de funcionamiento de la batería, la batería y el sistema de carga a menudo se simulan mediante un circuito equivalente.

a, fuente de corriente constante: bajo iluminación constante, una celda solar en funcionamiento, su fotocorriente no cambia con el estado de funcionamiento, en el circuito equivalente puede considerarse como una fuente de corriente constante.

b, Corriente oscura Ibk: una parte de la fotocorriente fluye a través de la carga RL y se establece un voltaje terminal U en ambos extremos de la carga. A su vez, está polarizado positivamente en la unión PN, provocando una corriente oscura Ibk opuesta a la corriente óptica.

c, De esta manera, se traza el circuito equivalente de una celda solar de unión homogénea PN ideal como se muestra en la figura.

d, Resistencia en serie RS: debido a que los electrodos delantero y trasero están en contacto, y el material en sí tiene cierta resistividad, las capas base y superior inevitablemente presentan resistencia adicional. La corriente que fluye a través de la carga inevitablemente causará pérdidas al pasar a través de ellos. En el circuito equivalente, el efecto total se puede representar mediante una resistencia en serie RS.

e, Resistencia paralela RSh: debido a la fuga del borde de la batería y el puente de metal formado en las grietas y rasguños al hacer el electrodo metalizado, la parte de la corriente debe cortocircuitarse a través de la carga. Este efecto puede ser equivalente a una resistencia en paralelo RSh.

Cuando la corriente que fluye hacia la carga RL es I y el voltaje terminal de la carga RL es U, se puede obtener:

La P en la fórmula es la potencia de salida de la celda solar irradiada sobre la carga RL.

B, potencia de salida

Cuando la corriente que fluye hacia la carga RL es I y el voltaje terminal de la carga RL es U, se puede obtener:

La P en la fórmula es la potencia de salida de la celda solar irradiada sobre la carga RL.

Cuando la carga RL cambia de 0 a infinito, el voltaje de salida U cambia de 0 a U0C y la corriente de salida cambia de ISC a 0. Por lo tanto, se puede dibujar la curva característica de carga de las celdas solares. Cualquier punto de la curva se denomina punto de trabajo. La conexión entre el punto de trabajo y el origen se llama línea de carga. El recíproco de la pendiente de la línea de carga es igual a RL. Las coordenadas horizontales y verticales correspondientes al punto de trabajo son el voltaje de trabajo y la corriente de trabajo.

Cuando la resistencia de carga RL se ajusta a un cierto valor Rm, se obtiene un punto M en la curva. El producto de la corriente de trabajo correspondiente Im y el voltaje de trabajo Um es el mayor, es decir, Pm = ImUm.

En términos generales, el punto M es el mejor punto de trabajo (o punto de máxima potencia), Im es la mejor corriente de trabajo, Um es el mejor voltaje de trabajo, Rm es la mejor resistencia de carga y Pm es la potencia de salida máxima.

C，factor de relleno

a, La relación entre la potencia de salida máxima y (Uoc *Isc) se denomina factor de llenado (FF), que es uno de los indicadores importantes para medir las características de salida de las células solares.

b, el factor de llenado caracteriza la calidad de las células solares. Bajo cierta irradiación espectral, cuanto mayor sea el FF, más cuadrada será la curva y mayor será la potencia de salida.

D, eficiencia de la celda solar, factores que afectan la eficiencia

(1). Eficiencia de las células solares:

Cuando se irradia una celda solar, la relación entre la potencia de salida y la potencia de la luz incidente se denomina eficiencia de la celda solar, también conocida como eficiencia de conversión fotoeléctrica. Generalmente se refiere a la máxima eficiencia de conversión de energía cuando el circuito externo está conectado con la mejor resistencia de carga RL.

En la fórmula anterior, si Ats se reemplaza por Aa (también llamado área activa), es decir, el área de las líneas de cuadrícula se deduce del área total, por lo que la eficiencia del cálculo es mayor. Esto debe tenerse en cuenta al leer la literatura en el país y en el extranjero.

Prince of the United States calculó por primera vez la eficiencia teórica de las células solares de silicio en un 21,7%. En la década de 1970, M. Wolf lo discutió en detalle. También descubrió que la eficiencia teórica de las células solares de silicio era del 20 % al 22 % en la condición espectral AM0 y luego la modificó al 25 % (condición espectral AM1.0).

Para estimar la eficiencia teórica de una celda solar, se deben tener en cuenta todas las pérdidas posibles desde la luz incidente hasta la potencia de salida. Algunas de estas pérdidas están relacionadas con materiales y procesos, mientras que otras están determinadas por principios físicos básicos.

(2), Factores que afectan la eficiencia

En resumen, la tensión de circuito abierto Uoc, la corriente de cortocircuito ISC y el factor de llenado FF deben aumentarse para mejorar la eficiencia de las células solares. Estos tres parámetros a menudo se limitan mutuamente, si uno de ellos aumenta unilateralmente, puede por lo tanto reducir el otro, por lo que la eficiencia total no solo no mejora sino que también disminuye. Por lo tanto, el material y el proceso de diseño deben considerarse de manera integral para maximizar el producto de los 3 parámetros.

1). Ancho de banda de materiales:

La tensión de circuito abierto UOC aumenta con el aumento del ancho de banda Eg, pero la densidad de corriente de cortocircuito disminuye con el aumento del ancho de banda Eg. Como resultado, se puede esperar el pico de eficiencia de la celda solar en un determinado Eg. Se puede esperar que las células solares con un valor Eg de 1,2 ~ 1,6 eV alcancen la mayor eficiencia. Los semiconductores de banda prohibida directa para baterías de película delgada son preferibles porque pueden absorber fotones cerca de la superficie.

2). La temperatura:

La longitud de difusión del portador minoritario aumenta ligeramente con el aumento de la temperatura, por lo que la fotocorriente aumenta con el aumento de la temperatura, pero la UOC disminuye bruscamente con el aumento de la temperatura. El factor de llenado disminuye, por lo que la eficiencia de conversión disminuye con el aumento de la temperatura.

3). Irradiación:

Con el aumento de la irradiación, la corriente de cortocircuito aumenta linealmente y aumenta la potencia máxima. Centrar la luz del sol en las células solares puede hacer que una pequeña célula solar genere mucha electricidad.

4). Concentración de dopaje:

Otro factor que tiene un efecto significativo en la UOC es la concentración de dopaje de los semiconductores. Cuanto mayor sea la concentración de dopaje, mayor será el UOC. Sin embargo, cuando la concentración de impurezas en el silicio es superior a 1018/cm3, se denomina alto efecto de dopaje. También debe evitarse el fenómeno de la contracción de la banda prohibida, la ionización de impurezas y la disminución de la vida útil de los portadores minoritarios causados ​​por un alto dopaje.

5). Tiempo de vida de la recombinación de portadores fotoinducidos:

Para las células solares semiconductoras, cuanto más larga sea la vida de recombinación de los portadores fotogenerados, mayor será la corriente de cortocircuito. La clave para una larga vida es evitar la formación de centros compuestos en el proceso de preparación de materiales y producción de baterías. El centro compuesto se puede quitar y la vida útil se puede prolongar mediante un procesamiento adecuado y frecuente.

6). Tasa de recombinación superficial:

La baja tasa de recombinación de superficie ayuda a aumentar Isc. Es difícil medir la tasa de recombinación de la superficie frontal y, a menudo, se supone que es infinita. Una batería llamada Back Electric Field (BSF) está diseñada para difundir una capa P + en la parte posterior de la batería antes de depositar el contacto metálico.

7). Resistencia en serie y rejilla metálica:

La resistencia en serie proviene de la resistencia del cable conductor, la rejilla de contacto de metal o el cuerpo de la batería, y la rejilla de metal no puede atravesar el sol. Para maximizar el Isc, el área ocupada por la rejilla metálica debe ser la más pequeña. Por lo general, la rejilla metálica tiene una forma densa y delgada, lo que puede reducir la resistencia en serie y aumentar el área de transmisión de luz de la batería.

8). Utilice baterías de gamuza para diseñar y seleccionar revestimientos antirreflectantes de alta calidad.

Basándose en la estructura de cono cuadrado en forma de pirámide de la superficie, la reflexión múltiple de la luz no solo reduce la pérdida de reflexión, sino que también cambia la dirección de la luz en el silicio y prolonga el camino de la luz, aumentando así el rendimiento de los portadores fotogenerados; la superficie en zigzag también aumenta el área de la unión PN, lo que aumenta la tasa de recolección de los portadores fotogenerados y la corriente de cortocircuito. Aumente del 5% al ​​10% y mejore la respuesta a la luz roja de la batería.

9). Efecto de la sombra en las células solares:

Las celdas solares causarán una iluminación desigual debido a la oclusión de sombras, etc., y la potencia de salida se reducirá considerablemente.

En la actualidad, la aplicación de celdas solares ha ingresado a industrias, comercio, agricultura, comunicaciones, electrodomésticos y servicios públicos desde el campo militar y aeroespacial, especialmente en áreas remotas, montañas, desiertos, islas y áreas rurales, para ahorrar costosas líneas de transmisión. Pero en esta etapa, el costo sigue siendo alto y cuesta decenas de miles de dólares enviar un kilovatio de electricidad, por lo que el uso a gran escala todavía está limitado económicamente.

Sin embargo, a la larga, con la mejora de las células solares tecnología y la invención de nuevos dispositivos de conversión fotoeléctrica, la protección del medio ambiente y la gran demanda de energía renovable y limpia en varios países, las células solares seguirán siendo una forma más práctica de utilizar la energía de la radiación solar y se pueden utilizar en grandes escala para los seres humanos en el futuro. Puede abrir amplias perspectivas.

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