Premena slnečnej energie
Fyzikálny základ
Polovodičová dióda s PN prechodom je známy polovodičový prvok. Jeho voltampérová charakteristika v tme je (obr. 1)
kde
I je prúd tečúci diódou,
Io je záverný prúd diódy,
U je napätie,
k je Boltzmannova konštanta,
T je teplota a
a je súčiniteľ ideálnosti diódy, e je základ prirodzeného logaritmu e = 2,71 (obr. 1) [1].
Obr. 1 Závislosť prúdu na napätí polovodičovej diódy s PN prechodom za tmy.
Pri osvetlení sa dióda zmení na zdroj elektromotorického napätia (a odpovedajúceho zdroja prúdu) εphoto~Iphoto, ktoré vzniká vplyvom ožiarenia diódy, takže voltampérová charakteristika (I-U) sa zmení na tvar
a odpovedajúce
I-U charakteristiky pri ožiarení pre tri svetelné intenzity
L sú na obr. 2. Prevod žiarivej energie na elektrickú je zložitý fyzikálny dej. Účinnosť prevodu žiarivej energie na elektrickú, alebo i pomer elektrického výkonu
Pel =
Im Um odvádzaného z článku (
Im a
Um sú prúd a napätie fotovoltaického článku pre maximálny výkon do vonkajšej záťaže) a
Prad je výkon dopadajúceho slnečného žiarenia, definovaný
and the corresponding
I-U characteristics under illumination for three light intensities
L are in Figure 2. Conversion of radiant energy into the electric energy is a complicated physical phenomenon. Efficiency of the conversion of radiant energy into the electric energy or the ratio of electric power
Pel =
Im Um from the cell (
Im and
Um are the current and the voltage of the photovoltaic cell for a maximum power into the external load) and the
Prad ( the power of the solar radiation) is defined as
Obr. 2 Príklady
I-
U charakteristík reálneho fotovoltaického článku s intenzitou žiarenia – 0.4 L, 0.7 L a 1.0 L.
Isc je prúd nakrátko,
Uoc je napätie naprázdno,
Um a
Im je prúd a napätie odpovedajúce maximálnemu elektrickému výkonu článku
Pm
Účinnosť prevodu môže byť vyjadrená pomocou parciálnych (čiastočných) účinností
kde
ηr =
Pabs/
Prad = 0,70 je pomer výkonu odrazeného žiarenia k výkonu dopadajúcemu (s priemernou odrazivosťou kremíka
R = 0,30 [1]),
ηe = 1-
T/
Ts je účinnosť Carnotovho tepelného cyklu, kde
T = 300 K a
Ts = 6000 K sú teploty okolia a teplota Slnka,
ηe = 1-
T/
Ts = 0,95;
ηp = 0,42 [2] je príspevok k účinnosti vplyvom neprispôsobeniu sa kremíka k spektru slnečného žiarenia (obr. 3), Z obr. 3 je vidieť a je z neho zrejmé, že optimálny materiál pre slnečnú premenu je polovodič CdTe, prípadne amorfný kremík a-Si) a
ηel je konečne príspevok k účinnosti, daný kumulatívnymi elektronickými parametrami fotovoltaického článku, určený vzťahom
kde
Isc je prúd článkom nakrátko ovplyvniteľný hlavne optimalizáciou transportných vlastností, pohyblivosťou, ďalej geometriou článku a hrúbkou aktívnej vrstvy,
Uoc je napätie naprázdno ovplyvniteľné výberom materiálu a
FF je tzv. faktor plnenia fotovoltaického článku, daný kvalitou kontaktov a morfológiou materiálu a rovnako závislý na odporu aktívnej polo vodivej vrstvy (obr. 3). Účinnosti súčasných fotovoltaických článkov sa pohybuje od 1-30 %.
Obr. 3 Závislosť teoretickej účinnosti fotovoltaických článkov na šírke zakázaného pásu ΔW polovodiča, kde C-Si- je kryštalický kremík, a-Si amorfný kremík
Platí rovnako dôležitý vzťah medzi prúdom článkom nakrátko Isc a napätím naprázdno Uoc
a optimálnym odporom záťaže
Literatúra
- R. Bonnefille and J. Robert, Principes generaux des convertisseurs directs d energie, Dunod, Paris, 1971.
- J. R. Chelikowsky and M. L Cohen.: Phys. Rev. B14, 2 556-582 (1976).
