3-3- خواص فوتو ولتایی
هنگامیکه پیوند n-p تحت تابش نور خورشید قرار میگیرد، جفتهای الکترون- حفره، تولید میشوند، که تعدادشان وابسته به شدت نور است. به دلیل میدان الکتریکی موجود در ناحیه سدی، سوق الکترونها به سمت ناحیه n و حفرهها به ناحیه p ، صورت میگیرد. هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود میآورد (شکل5). به این ترتیب الکترون- حفرههای تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت. نمودار نوار انرژی در مدار کوتاه و مدار باز در شکل(6) نشان داده شده است. هنگامی که دو سمت n و p در یک مدار کوتاه واقع میشوند، به جریان، جریان مدار کوتاه Lsc (Short-circuit current، ، نامیده میشود و در صورتی که مقاومت سری صفر باشد، با جریان فوتوتولیدیLL، ، برابر است. هنگامی که دو سمت n و p ایزوله میشوند، الکترونها به سمت n و حفرهها به سمت p ، حرکت میکنند، که منجر به تولید پتانسیل میشود. ولتاژ ظاهر شده، ولتاژ مدار باز (Open-circuit photovoltage)، ، نامیده میشود [7-6].
هنگامیکه پیوند n-p تحت تابش نور خورشید قرار میگیرد، جفتهای الکترون- حفره، تولید میشوند، که تعدادشان وابسته به شدت نور است. به دلیل میدان الکتریکی موجود در ناحیه سدی، سوق الکترونها به سمت ناحیه n و حفرهها به ناحیه p ، صورت میگیرد. هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود میآورد (شکل5). به این ترتیب الکترون- حفرههای تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت. نمودار نوار انرژی در مدار کوتاه و مدار باز در شکل(6) نشان داده شده است. هنگامی که دو سمت n و p در یک مدار کوتاه واقع میشوند، به جریان، جریان مدار کوتاه Lsc (Short-circuit current، ، نامیده میشود و در صورتی که مقاومت سری صفر باشد، با جریان فوتوتولیدیLL، ، برابر است. هنگامی که دو سمت n و p ایزوله میشوند، الکترونها به سمت n و حفرهها به سمت p ، حرکت میکنند، که منجر به تولید پتانسیل میشود. ولتاژ ظاهر شده، ولتاژ مدار باز (Open-circuit photovoltage)، ، نامیده میشود [7-6].
شکل5- شماتیکی از جریان حامل در پیوند n-p تحت تابش، قرارگرفته در یک مدار کوتاه، که W پهنای ناحیه سدی است [6].
شکل6- نمودار انرژی پیوند n-p تحت تابش،a) جریان مدار کوتاه و b) مدار باز [6].
با فرض واحد بودن مساحت سلول، مشخصه جریان- ولتاژ پیوند n-p تحت تابش با رابطه زیر داده میشود [8-6]:
(13)
در مدار باز که است، ولتاژ از رابطه زیر بدست میآید[8-6]:
(14)
هنگامی که سلول خورشیدی تحت شرایطی عمل کند که توان خروجی آن ماکزیمم باشد، در نقطه عمل بهینه، ولتاژ Vm و جریانImخواهد بود. وIsc عوامل Vocتعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی هستند، که در آینده بیشتر به آنها میپردازیم. بازده نهایی تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریکی، ، به عنوان نسبت ماکزیمم توان الکتریکی خروجی تولید شده به توان کامل نور برخوردی تعریف میشود و از رابطه زیر بدست میآید [8-6]:
(15)
که Jsc در آن چگالی فوتوجریان اندازهگیری شده در مدار کوتاه،Voc ولتاژ مدار باز، عامل پرشدگی (Fill Factor) سلول و Pinشدت نور برخوردی است.FF دارای مقادیر بین صفر تا یک است و به صورت
به منظور تولید ولتاژ در یک سلول خورشیدی، به یک پیوند p-n نیاز داریم. نقش پیوند n-p، تفکیک حاملهای بار تولید شده بوسیله نور است. به دلیل وجود میدان الکتریکی در ناحیه سدی پیوند n-p، سوق الکترونها به سمت ناحیه n و حفرهها به ناحیه p ، صورت میگیرد. هنگامی که یک سیم خارجی به صورت مدار کوتاه به پیوند متصل شود، این جدایی بار، جریانی از n به سمت p بوجود میآورد. به این ترتیب الکترون- حفرههای تولید شده در یک فاصله طول پخش از لبه ناحیه تهی، سهمی در فوتوجریان خواهند داشت. در شرایط پیشولت معکوس، تولید الکترونها وحفرهها در ناحیه تهی، در میانه تراز انرژی نیمهرسانا، در گاف ممنوعه انرژی رخ میدهد. در پیشولت موافق، حاملها در تراز انرژی، در گاف ممنوعه انرژی، بازترکیب میشوند. سه پارامتر فوتوولتایی تعیین کننده بازده یک سلول خورشیدی عبارتند از:1- جریان مدار کوتاه 2Isc- ولتاژ مدار بازVoc، و 3- عامل پرشدگیFF، .
1.Fraas Lewis, Partain Larry, Solar Cells and Their Applications, Second Edition, John Wiley & Sons, Inc.,(2010).2.A.R. Jha, Solar Cell Technology and Applications, Auerbach Pub.Taylor & Francis Group, (2010).
3.Brian, A. Gregg, “Excitonic Solar Cells”, J. Phys. Chem. B 2003, 107, 4688-4698, (2003).
4.Mims III, Forrest M., “Solar Cell Projects”, Radio Shack Engineer’s Mini Notebook, First Printing, USA, (1999).
5.Hochbaum, I.Allon, Yang, Peidong, Semiconductor Nanowires for Energy Conversion, Chem. Rev., 110, 527–546,(2010).
6.Soga, T., (editor), “Nanostructured Materials for Solar Energy Conversion” (Fundamentals of Solar Cell), Elsevier, (2006).
7.Fonash, J. Stephen, “Solar Cell Device Physics”, Second Edition, USA, Elsevier Inc., (2010).
8.Wurfel, Peter, “Physics of Solar Cell From Prenciples to New Concepts”, John Wiley & Sons, Inc., (2005).
9.Grätzel, Michael, Dye-Sensitized Solar Cells, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews 4., (2003).
آخرین ویرایش: