Способи виготовлення сонячниз батарей

За законом Ома , струм витоку через шунтувальний резистор це:

де

• R _SH = шунтуючого опору (Ω).

Підставляючи  це в перше рівняння дає характеристичне  рівняння сонячної батареї, у яку входять параметри сонячного елементу, вихідного струму і напруги:

Альтернативний  висновок дає рівняння, аналогічне за зовнішнім виглядом, але з V по лівій стороні. обидва варіанти є тотожні , тобто, вони дають такий самий результат.

В принципі, при певній напрузі V рівняння можуть бути вирішені, щоб визначити робочий струм від напруги. Однак, оскільки включає в себе рівняння  з обох сторін втрансцендентному вигляді рівняння не має загальне аналітичне рішення. Тим не менше, навіть без рішення це фізично важко. Крім того, воно легко вирішується за допомогою чисельних методів . (Загальна аналітичне рішення рівняння можна за допомогою функції Ламберта, але так як функція взагалі сама повинна бути вирішена чисельно це формальність).

Оскільки  параметри V ₀ , N, R _S і R _SH не може бути виміряна безпосередньо, найбільш поширеним застосуванням характеристичного рівняння нелінійної регресії для витягання значення цих параметрів на основі їх сукупного впливу на поведінку сонячної комірки.

1.4.Напруга холостого ходу і короткого замикання

Коли  елемент працює при розімкнутому колі, I = 0 і напруга на вихідних клемах визначається як напруга холостого ходу . Якщо припустити, що опір шунта достатньо великий, то:

Аналогічним чином, коли елемент працює при короткому замиканні , V = 0 і поточним опором через рівняння визначається як струм короткого замикання . Можна показати, що для високоякісних сонячних батарей (низький R _S і I ₀ , і високі R _SH ) струм короткого замикання I _SC є:

1.5.Вплив фізичних розмірів

Значення  R _S і R _SH залежать від фізичного розміру сонячних батарей. При порівнянні ідентичних елементів, елементи які мають в два рази більшу площу поверхні іншої, в принципі, мають в два рази більшу U ₀ , оскільки він має вдвічі більше області ефективності, через які струм може текти. Він також матиме половину R _S і R _SH , тому що він має в два рази більшу площу поперечного перерізу, через які струм може текти. З цієї причини, характеристичне рівняння часто написані з точки зору щільності струму або струму, в області елементарної комірки:

де

• J = щільність струму (ампер / см ² )
• J _L = фотогенерірованних щільності струму (ампер / см ² )
• J ₀ = зворотний струм насичення щільності (ампер / см ² )
• R _S = питомий опір рядів (Ω см ² )
• Г _Ш = питомий опір шунта (Ω см ² ).

Це  формулювання має кілька переваг. По-перше, тому що елементині характеристики пов’язані з загальною площею поперечного перерізу вони можуть бути співставлені для елементів різних фізичних розмірів. Хоча це обмежені вигоди у виробництві , де всі елементи, як правило, однакового розміру, це корисно в дослідженнях та порівняннях елементів між виробниками. Ще однією перевагою є те, що щільність їх природної маси параметрів аналогічних порядків, які можуть зробити чисельний видобутку з них простіше і точніше, навіть з наївною методи рішення.

Є практичні  обмеження цього формулювання. Наприклад, деякі паразитні ефекти все більшого значення в якості розміру елементу стискаються і можуть вплинути на витягнуті значення параметра. Рекомбінації і погіршення переходу, як правило, найбільшу по характеристиці елементу, так манший елемент може мати більш високе значеннями J ₀ або нижче значення R _SH , ніж більші елементи, які в іншому випадку ідентичні. У таких випадках порівняння між клітинами повинно бути зроблено обережно і з цими ефектами.

Цей підхід повинен бути використаний тільки для порівняння сонячних батарей  із зіставними макета. Наприклад, порівняння в першу чергу квадратичних сонячних батарей, як типових кристалічних кремнієвих сонячних елементів і вузьких, але довгих сонячних батареях, як типовий тонкоплівкових сонячний елемен може привести до неправильних припущень викликаних різними видами поточного шляху і, отже, вплив, наприклад, розподілена послідовно опіру R _S .

1.6.Динаміка температури

Вплив температури на вольт-амперноу характеристику сонячного елемента

Температура впливає на характеристичне рівняння двома способами: безпосередньо, через T в експонентний член, так і побічно через його вплив на саме U ₀ (строго кажучи, температура впливає на всі умови, але ці два набагато більш значніші, ніж інші). Поряд зі збільшенням T , зменшується величину показника в характеристичному рівняннянні, значення R ₀ експоненціально зростає з T . Кінцевим результатом є зменшення V _OC (напруга холостого ходу) . Масштаби цього скорочення обернено пропорційна V _OC . Для більшості кристалічних кремнієвих сонячних елементів зміни V _OC з температурою близько -0.50% / ° C, хоча ставка коефіціен ефективністі кристалічного кремнію елементів становить близько -0,35% / ° C. Для порівняння, показник для аморфних кремнієвих сонячних елементів складає -0,20% / ° C до -0.30% / ° C, в залежності від того, з чого елемент зроблений.

Сума  поточних фотогенерованих _{електронів} злегка зростає зі зростанням температури через збільшення числа термічно генерованих носіїв в елементі. Цей ефект є незначним, проте: близько 0,065% / ° C для кристалічного кремнію клітин і 0,09% для аморфного кремнію елементів.

В цілому вплив температури на ефективность можна обчислити за допомогою цих чинників у поєднанні з характерним рівняння. Однак, так як зміна напруги набагато сильніша, ніж зміна струму, загальний вплив на ефективність, як правило, аналогічна по напрузі. Більшість кристалічних кремнієвих сонячних осередків в зниженні ефективності на 0,50% / ° C і найбільш аморфного елменту зниження на 0,15-0,25% / ° C. На малюнку вище показані ВАХ кристалічного кремнію сонячного елемента при різних температурах. 

1.7.Залежність напруги від навантаження

Вплив послідовного опору на вольт-амперну характеристиу сонячної батареї

Зі збільшенням послідовного опору, падіння напруги між напругою переходу і напруга на клемах стає більше за той же струм. В результаті, керовані струмом частини кривої IV починає провисати до початку координат, виробляючи значне зниження напруги на клемах  і невелике зниження в I _SC , ток короткого замикання. Дуже високі значення R _S також буде проводити значне скорочення R _SC ; в цих режимах, послідовний опір домінує і поведінка сонячного елемента нагадує резистор. Ці ефекти проявляються для кристалічних кремнієвих сонячних елементів у ВАХ відображено цю залежність на малюнку.

Збитки, завдані послідовного опіру в першому наближенні дає P _втрати = V _РТС I = I ² R _S та збільшення квадратично (фото-) струму. Втрати потужності найбільш великими є при високій інтенсивності освітлення. 

Вплив шунтуючого опору на вольт-амперних характеристик  сонячних батарей

При зменшенні опіру, струм витоку через шунтувальний резистор збільшується на даному рівні переходу напруги. В результаті, керований напругою частина кривої IV починає провисати до початку координат, виробляючи значне зниження в поточному терміналі r і невелике зниження в V _OC . Дуже низькі значення R _SH буде виробляти значне зниження V _OC . Подібно до того, як у випадку з високим опором. Ці ефекти проявляються для кристалічних кремнієвих сонячних елементів.

1.8.Зворотний струм насичення

Вплив зворотнього струму насичення на вольт-амперниу характеристику сонячної батареї

Якщо припустити, нескінченний опір шунта, характеристичного рівняння можуть бути вирішені на V _OC :

Таким чином, при збільшенні  I ₀ призводить до скорочення V _OC обернено пропорційно логарифму та зростає. Це пояснює, математичну причину зниження V _OC , яка супроводжує підвищенню температури, описаних вище явищ. Ефект зворотнього струму насичення на кривій IV з кристалічного кремнію сонячного елементу показані на малюнку. Фізично, зворотній струм насичення - міра "витоку" носіїв через р-п перехід в зворотньому зміщенні. Це витік в результаті рекомбінації носіїв в нейтральній області по обидві сторони від переходу. 

1.9.Фактор ідеальності.

Вплив фактору на ідеальность вольт-амперної характеристики сонячного елементу

Фактор  ідеальності (також називається облучаюий фактор) є параметр, який описує, як тісно відбувається поведінка напівпровідника, яка передбачає перехід р діода нескінченної площини і яка відбувається в області просторового заряду. Ідеально підходить для теорії, коли n = 1 .  Ефект зміни ідеальності фактором незалежно від усіх інших параметрів показаний для кристалічного кремнію сонячного елемента в ВАХ відображається на малюнку.

Більшість сонячних батарей, які досить великі в порівнянні зі звичайними діодами, а приблизно нескінченної площини і, як правило, демонструють майже ідеальну поведінку в стандартних умовах випробування ( п. ≈ 1 ). При певних умовах експлуатації, однак, робота пристрою може бути в основному в результаті рекомбінації в області просторового заряду. Вона характеризується значним збільшенням R ₀ , а також збільшення ідеальності фактор ≈ 2n . Остання має тенденцію до збільшення вихідної напруги сонячної елементу. Цей ефект являє собою поєднання збільшення напруги показаний для підвищення n (на малюнку) і зменшенню напруги показаний для підвищення R ₀ на малюнку вище. Як правило, R ₀ є більш важливим фактором, і в результаті зниження напруги.

2.Сонячні елементи

2.1.Втрати у сонячному елементі

Основні необоротні втрати енергії  у фотоелементах пов'язані з:

• відбиттям сонячного випромінювання від поверхні перетворювача,
• проходженням частини випромінювання через фотоелемент без поглинання в ньому,
• розсіюванням на теплових коливаннях кристалічної ґратки надлишкової енергії фотонів,
• рекомбінацією фотопар, що утворилися на поверхнях і в об`ємі фотоелемента,
• внутрішнім опором перетворювача,
• деякими іншими фізичними процесами.

Сонячні елементи служать для електропостачання  у віддалених районах Землі або  на орбітальних станціях, де неможливо  використовувати електромережу, а  також для живлення калькуляторів, радіотелефонів, зарядних пристроїв, насосів.

В серпні 2009 р. вчені Університету Нового Південного Уельсу досягли рекордної  ефективності сонячних батарей – 43% (тобто 43% сонячної енергії перетворюється в електричну). Однак, новий рекорд було встановлено в лабораторних умовах. Так, світло перед попаданням на батареї було сфокусовано спеціальними лінзами. Крім того, вартість усього обладнання далека від значень, котрі дозволили  б виробляти ії в промислових  масштабах. Рекорд для однієї сонячної батареї в реальних умовах складає  приблизно 25%.

Фотоелементи  виготовляють з різноманітних напівпровідникових матеріалів. Процес виготовлення фотоелемента близький до процесів виготовлення інших  напівпровідникових приладів, наприклад чіпів.

Монокристалічні фотоелементи найбільш складні і дорогі оскільки для їх виготовлення потрібен кристалічний кремній, однак мають найбільшу ефективність (14 %-20 % перетворення світла у електричну енергію).

Полікристалічні, чи мультикристалічні фотоелементи дешевші ніж монокристалічні, однак менш ефективні.

Тонкоплівкові фотоелементи використовують тонкі плівки що виготовляються з розплавленого кремнію. Такі фотоелементи найменш ефективні.

У космічних  апаратах використовуються також багатоперехідні сонячні елементи або гетерофотоелементи. Такий елемент складається з декількох p-n переходів (AlGaAs-GaAs), кожен з яких вловлює світло певного спектру. Такі сонячні елементи досягають найвищої ефективності — 35 %. Велика складність виготовлення таких пристроїв робить їх малопоширеними.

Для підвищення ефективності перетворення світла також використовують концентрувальну  оптику.

У наш  час ведуться дослідження по створенню  гнучких плівкових сонячних елементів, а також напівпровідникових фарб, використанню органічних напівпровідників.

Важливим моментом роботи сонячних елементів є їхній температурний режим. При нагріванні елемента на один градус понад 25 °C він втрачає в напрузі 0,002 В, тобто 0,4 %/градус. Це становить проблему для фотоелементів з концентрувальною оптикою. Тому вони потребують додаткового охолодження.

2.2.Ефективність

Ефективність  сонячних батарей може бути поділена на термодинамічну ефективность носіїв заряду та ефективность розподілу.

У зв'язку з труднощами виміру цих параметрів безпосередньо, інші параметри вимірюються  замість: термодинамічної ефективності, квантова ефективність, V _OC, і коефіцієнт заповнення. Відображення втрат частина квантової ефективності в розділі "зовнішньої квантової ефективності". Рекомбінаційні втрати становлять частину квантової ефективності, V _OC, і коефіцієнт заповнення. Резистивні втрати переважно розподілені по коефіцієнтом заповнення, а також складають незначні частини квантової ефективністі, V _OC.