¿Cuál es la estructura de la energía solar?

Cuando la luz incide sobre un semiconductor, los fotones proporcionan energía a los electrones, y los electrones saltarán a un estado de mayor energía. Entre estos electrones, los electrones que se pueden utilizar en dispositivos optoelectrónicos reales son: (. 1) Electrones de la banda de valencia; (2) Electrones libres o huecos (Portador libre); (3) Electrones existentes en niveles de energía de impureza. Los electrones disponibles para las células solares son principalmente electrones de la banda de valencia. La absorción de luz determinada por el proceso de transición energética de la luz desde los electrones de la banda de valencia a la banda de conducción se denomina absorción intrínseca o intrínseca. La base de la conversión de energía de las células solares es el efecto fotovoltaico de la unión. Cuando la luz irradia la unión pn, se genera un par electrón-hueco. Los portadores generados cerca de la unión interna del semiconductor no se recombinan y llegan a la región de carga espacial. Atraídos por el campo eléctrico incorporado, los electrones fluyen hacia la unión n. región y los huecos fluyen hacia el área pn, como resultado, el área n almacena electrones en exceso y el área p tiene huecos en exceso. Forman un campo eléctrico fotogenerado cerca de la unión pn que es opuesta a la dirección de la barrera de potencial. Además de compensar parcialmente el efecto del campo eléctrico de barrera, el campo eléctrico fotogenerado también hace que la región p esté cargada positivamente y la región N cargada negativamente. Se genera una fuerza electromotriz en la capa delgada entre la región N y la región P. es el efecto fotovoltaico. En este momento, si el circuito externo está en cortocircuito, una fotocorriente proporcional a la energía de la luz incidente fluirá a través del circuito externo. Esta corriente se denomina corriente de cortocircuito. Por otro lado, si ambos extremos de la unión PN. están en circuito abierto, debido a que los electrones y los huecos fluyen hacia la región N y la región P respectivamente, lo que hace que el nivel de energía de Fermi de la región N sea más alto que el de la región P, y se genera una diferencia de potencial VOC entre los dos niveles de Fermi. . Este valor se puede medir y se denomina voltaje de circuito abierto. Dado que la unión tiene polarización directa en este momento, la fotocorriente de cortocircuito anterior es igual a la corriente directa del diodo y, por lo tanto, se puede determinar el valor de VOC. 1.2.2 Proceso de conversión de energía de las células solares Las células solares son dispositivos que convierten directamente la energía solar en energía eléctrica. Su estructura básica está compuesta por una unión PN semiconductora. Además, la heterounión, la barrera Schottky, etc. también pueden lograr una mejor eficiencia de conversión fotoeléctrica. Esta sección toma como ejemplo la célula solar de unión PN de silicio más común para observar en detalle la conversión de energía luminosa en energía eléctrica. Primero, examinamos las características observadas externamente cuando se opera una célula solar. La Figura 2.14 muestra características típicas de corriente-voltaje (corriente oscura) cuando no hay luz. Cuando la luz del sol incide sobre esta célula solar, fluirá una fotocorriente Iph en dirección opuesta a la corriente oscura. Figura 2.14 Características de corriente-voltaje sin luz y luz Cuando una carga R se conecta a la celda solar y se irradia con luz solar, la corriente Im y el voltaje Vm en la carga estarán determinados por la curva característica de corriente-voltaje con luz en la figura y V=- Determinar el punto de intersección de las rectas representadas por IR. En este momento, hay una tasa de consumo de *Gong* de Pout=RI2m en la carga, lo que indica claramente que la conversión de energía fotoeléctrica está en curso. Al ajustar el tamaño de la carga, se puede obtener la máxima tasa de salida *Gong* en un punto de trabajo óptimo. La relación entre la tasa de salida *Gong* (energía eléctrica) y la tasa de entrada *Gong* (energía luminosa) se denomina eficiencia de conversión de energía de la célula solar. [Página siguiente] A continuación centramos nuestra atención en el interior de la célula solar y estudiamos en detalle el proceso de conversión de energía. La célula solar está compuesta por una estructura pn de silicio, que forma contactos óhmicos sin características de rectificación en la superficie y en la parte posterior. Y supongamos que, excepto la resistencia de carga R, no hay otros componentes resistivos en el circuito. Cuando los fotones con energía hν (eV) (hνgt; Eg, Eg es el ancho de banda prohibida del silicio) iluminan la célula solar, se generan pares electrón-hueco. Dado que la energía de los fotones es mayor que la banda prohibida del silicio, los electrones se excitan a un nivel de energía superior al final de la banda de conducción. Para el silicio tipo p, la concentración de portadores minoritarios np es extremadamente pequeña (generalmente menos de 105/cm) y los niveles de energía de la banda de conducción están casi vacíos, por lo que los electrones caen inmediatamente al fondo de la banda de conducción. En este momento, los electrones y los huecos transfieren el exceso de energía del total hν - Eg (ev) a la red cristalina en forma de fonones (vibración de la red). Algunos de los electrones que caen al fondo de la banda de conducción se difunden hacia la superficie o unión, y algunos se recombinan dentro o sobre la superficie del semiconductor y desaparecen. Sin embargo, algunos de los portadores que llegan a la unión son acelerados por el campo eléctrico incorporado en la unión y fluyen hacia el silicio tipo n.

En el silicio tipo n, dado que los electrones son los portadores mayoritarios, los electrones entrantes se propagan en el orden del tiempo de relajación dieléctrica. Al mismo tiempo, para satisfacer la condición de neutralidad eléctrica del portador en el silicio tipo n, se requiere el mismo número de electrones entrantes. electrones como los electrones entrantes Los electrones fluyen fuera del electrodo conectado al silicio tipo n. En este momento, el electrón pierde energía equivalente a la altura potencial de la región de carga espacial y la diferencia de potencial entre la parte inferior de la banda de conducción y el nivel de Fermi. Supongamos que N electrones fluyen hacia la resistencia de carga por centímetro cúbico por segundo, entonces el voltaje aplicado a la resistencia de carga se expresa como V=QNr=IR. Como no hay fuente de alimentación en el circuito, el voltaje V=IR en realidad se aplica a la unión de la célula solar, es decir, la unión está polarizada directamente. Una vez que la unión está polarizada directamente, la corriente del diodo Id=I0[exp(qV/nkT)-1] fluye en dirección opuesta a la fotocorriente Iph formada por los portadores generados por la excitación de la luz y, por lo tanto, fluye hacia la resistencia de carga. El valor es (2.39) En la resistencia de carga, un electrón pierde un qV de energía, que es igual a la energía del fotón hν convertida en energía eléctrica qV. Los electrones que fluyen a través de la resistencia de carga alcanzan el electrodo de superficie de silicio tipo p, se convierten en portadores excesivos en el silicio tipo P y luego se recombinan con los agujeros barridos para formar una fotocorriente. 1.3 Características básicas de las células solares 1.3.1 Cortocircuito. corriente del circuito Sol La corriente de cortocircuito de una batería es igual a su fotocorriente. La forma más conveniente de analizar la corriente de cortocircuito *fa* es dividir el espectro solar en muchos segmentos, cada segmento tiene solo un rango de longitud de onda muy estrecho, y encontrar la corriente correspondiente a cada segmento del espectro. La corriente del circuito de la batería es la contribución de todos los segmentos espectrales. La suma de: (2.40) donde λ0 - el límite de longitud de onda de absorción intrínseca R (λ) - la reflectancia de la superficie F (λ) - el número de fotones en el espectro solar con. longitudes de onda que van desde l hasta l dl. El valor de F(l) depende en gran medida del ángulo cenital solar. Como parámetro que representa la distribución F(l) se encuentra AM (AirMass). AM representa la longitud del camino recorrido por la luz solar directa que incide sobre la atmósfera terrestre, definida como (2.41) donde: b0 - presión atmosférica estándar b - presión atmosférica en el momento de la medición Z - distancia al cenit del sol En general, b b0, Por ejemplo, AM1 es equivalente a la situación cuando el sol está en el cenit, AM2 es equivalente a la situación cuando el ángulo de altitud del sol es de 30 ° y AM0 representa la distribución en el universo. La reflectividad de la superficie del semiconductor real está relacionada. a la longitud de onda de la luz incidente, generalmente del 30 al 50%. Para evitar la reflexión de la superficie, se prepara sobre la superficie del semiconductor una capa de película delgada transparente con un índice de refracción entre el índice de refracción del semiconductor y el del aire. Esta fina capa de película se llama revestimiento antirreflectante. Supongamos que el índice de refracción del semiconductor, la película antirreflectante y el aire son n2, n1 y n0 respectivamente, y el espesor de la película antirreflectante es d1, entonces la reflectancia R es (2.42) donde: r1=( n0 - n1)/(n0 n1) r2 =(n1 - n2)/(n1 n2) θ=2πn1d1/λ λ-longitud de onda Obviamente, cuando el espesor d1 de la película antirreflectante es 1/4 de la longitud de onda, R es el mínimo. Inmediatamente (λ=λ') (2.43) Generalmente, en la longitud de onda máxima del espectro solar, R se convierte en el mínimo para determinar el valor de d1. Tomando como ejemplo las celdas de silicio, debido a que en el rango de luz visible a luz infrarroja, el índice de refracción del silicio es n2 = 3.4~4.0, lo que hace que la ecuación (2.43) sea cero, entonces el valor de n1 (, n0 = 1) es 1.8 n12.0. Suponiendo que l'=4800 angstroms, entonces 600 angstroms d1667 angstroms. Los materiales que cumplen estas condiciones generalmente pueden usar monóxido de silicio. En la longitud de onda central, la reflectividad alcanza aproximadamente 1. Gracias a la preparación de una película antirreflectante, la corriente de cortocircuito puede aumentar entre un 30 y un 40%. Además, se utilizan películas antirreflectantes SiO2 (n11,5), Al2O3 (n11,9), Sb2O3 (n11,9), TiO2, Ta2O5 (n12,25). Al superponer dos películas de óxido con diferentes índices de refracción, el índice de refracción se puede reducir en un rango de longitud de onda más amplio si se cumplen ciertas condiciones. Además, la superficie también se puede transformar en un cuadrado con forma de pirámide *fa* para evitar reflejos en la superficie