11 Giới thiệu chung về pin Mặt trời
112 Các tHông số đặc trưng của pin mặt trời
Mạch điện tương đương
KHi được cHiếu sáng, một pin mặt trời Hoạt động tương đương một nguồn dòng, tạo ra dòng quang điện Iph Lớp tiếp xúc bán dẫn p - n có tínH cHỉnH lưu tương đương nHư một điốt Dòng điện qua nó gọi là dòng điốt Hay dòng điện dò
ID Đại lượng đặc trưng cHo độ cản trở dòng dò của điốt là điện trở sơn Rsh mắc song song với với nguồn dòng và điốt Dòng điện đi qua điện trở sơn là Ish Đại lượng đặc trưng cHo tổng điện trở của các điện cực, các lớp tiếp xúc, gọi là điện trở nội của linH kiện pin mặt trời Hay điện trở nối tiếp Rs Điện trở mạcH ngoài Hay còn gọi là điện trở tải được coi là một điện trở R mắc song song với toàn bộ các tHànH pHần trên cHínH Dòng điện qua điện trở tải là I (HìnH 1 2)
Hình 1 2 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
KHi đó pHương trìnH đặc trưng Vôn - Ampe của pin mặt trời kHi được cHiếu sáng được viết nHư sau:
Trong đó ID là dòng cHạy qua điốt và được biểu diễn nHư biểu tHức dưới đây: q ( V + IRS ) nkBT (1 2)
với IS là dòng bão Hòa, pHụ tHuộc vào nHiệt độ của pin mặt trời; q là điện tícH của điện tử; n là Hệ số lý tưởng, pHụ tHuộc vào công ngHệ Hoàn tHiện pin Mặt trời, giá trị dao động từ 1 đến 2,4; kB là Hằng số Boltzman
PHương trìnH của dòng điện trong sơ đồ tương đương HìnH 1 2 sẽ được biểu diễn lại nHư sau:
nkBT Rsh
(1 3)Điện trở Rsh tHường lớn Hơn RS nHiều nên pHương trìnH (1 3) trở tHànH:Điện trở Rsh tHường lớn Hơn RS nHiều nên pHương trìnH (1 3) trở tHànH: Điện trở Rsh tHường lớn Hơn RS nHiều nên pHương trìnH (1 3) trở tHànH:
nkBT (1 4)
PHương trìnH 1 4 là pHương trìnH biểu diễn dòng điện cHạy trong mạcH tương đương của một pin mặt trời Đường đặc trưng dòng – tHế của pin mặt trời ở điều kiện tối và kHi được cHiếu sáng sẽ có dạng nHư được trìnH bày trên HìnH 1 3
Hình 1 3 Đường đặc trưng J-V của pin mặt trời
Căn cứ vào đường đặc trưng dòng – tHế, ta có tHể địnH ngHĩa và xác địnH các đại lượng đặc trưng của pin mặt trời nHư sau:
Dòng ngắn Mạch ISC
Dòng ngắn mạcH ISC là cường độ dòng điện kHi V = 0 KHi đó dòng ngắn mạcH sẽ được xác địnH bởi biểu tHức:
I = I ph − I S exp −1 q (V + IRS )
I = I ph − I S exp −1 − q (V + IRS ) V + IRS
−1
nkBT (1 5)
Trên đồ tHị đường đặc trưng dòng – tHế, dòng ngắn mạcH ISC cHínH là giá trị cường độ dòng điện kHi đường đặc trưng cắt trục tung
Thế hở Mạch VOC
THế Hở mạcH VOC là Hiệu điện tHế được đo kHi mạcH ngoài của pin mặt trời Hở mạcH KHi đó mạcH ngoài có dòng I = 0
VOC = ln
q I s
(1 6) Trên đồ tHị đường đặc trưng dòng – tHế, tHế Hở mạcH VOC cHínH là giá trị điện tHế mà tại đó đường đặc trưng cắt trục HoànH
Với IS được biểu diễn nHư bởi công tHức:
=qAL g kT (1 7)
Trong đó LD là độ dài kHuyếcH tán trung bìnH của cặp điện tử lỗ trống A là diện tícH bề mặt tiếp xúc p - n, g0 là Hệ số kícH tHícH nHiệt Eg độ rộng vùng cấm của bán dẫn VOC = E g q − nkT q g L A KN ph (1 8)
K là Hiệu suất góp của lớp tiếp xúc có giá trị cực đại là 1, Nph là số các cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra trong pHạm vi giới Hạn của bước sóng λg
Từ công tHức (1 4) ta tHấy: kHi T = 0 tHì VOC = Eg/q, kHi T > 0 tHì VOC < Eg/q
Công suất ra cực đại Pmax
Công suất ra cực đại là giá trị công suất ở đầu ra lớn nHất mà pin mặt trời có tHể cung cấp Nó pHản ánH kHả năng Hoạt động của pin tHeo cHế độ tải bên ngoài
Pmax = Imp Vmp (1 9)
Trên đồ tHị đường đặc trưng dòng – tHế, Pmax là diện tícH HìnH cHữ nHật lớn nHất bên trong đường cong dòng – tHế, I và V ở đây là dòng điện, Hiệu điện tHế cHo công suất ra cực đại (Imp,Vmp) (HìnH 1 3)
ln 0 D Eg IS D 0exp − nkBT I ph I SC ph S= I − I exp SC S −1
Hệ số điền đầy FF
Hệ số điền đầy (FF) là tỷ số giữa công suất ra cực đại và tícH số giữa cường độ dòng ngắn mạcH và tHế Hở mạcH Nó pHản ánH pHẩm cHất của linH kiện so với trường Hợp lý tưởng Trường Hợp lý tưởng Hệ số điền đầy FF = 1
!!"#$%#&% $%#&%
"
!' # !'
$%#&% (1 10) Hệ số FF của một pin mặt trời liên quan tới các tHànH pHần điện trở nối tiếp, điện trở sơn Để có FF lớn tHì RS pHải nHỏ nHất có tHể, đồng tHời Rsh lớn nHất có tHể, trường Hợp lý tưởng RS = 0, Rsh = ∞ (HìnH 1 3) VOC giảm kHi Rsh giảm, ISC giảm kHi RS tăng
Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin Mặt trời (PCE)
Hiệu suất cHuyển đổi năng lượng (power conversion efficiency, viết tắt là PCE) đặc trưng cHo kHả năng biến đổi năng lượng ánH sáng mặt trời tHànH năng lượng điện Hiệu suất cHuyển đổi năng lượng được xác địnH là tỷ số giữa công suất ra cực đại (Pmax) và công suất cHiếu sáng (Pin) trên pin
η = = Pin Pin
(1 11) NHư vậy, muốn đạt Hiệu suất cao cần tHiết pHải tìm cácH tăng dòng ngắn mạcH (ISC), tHế Hở mạcH (VOC) và Hệ số điền đầy FF
Hiệu suất chuyển đổi photon tới thành dòng điện (IPCE)
Hiệu suất cHuyển đổi pHoton tới tHànH dòng điện là kHả năng cHuyển đổi pHoton ánH sáng tới tHànH các điện tử đóng góp vào dòng quang điện của pin mặt trời Nó được xác địnH là tỷ số giữa số điện tử quang ở mạcH ngoài và số pHoton tới tại một bước sóng xác địnH và được biểu diễn nHư sau:
η = n electron ( λ )
n photon (λ ) =
I ( λ)
Pin ( λ) × λ1240 ( nm) (1 12) Trong đó I(λ) có đơn vị là ∝A/cm2, Pin(λ) công suất quang W/m2, λ là bước sóng tới đo bằng nanomet
�� = " = "