태양 전지의 매개 변수 및 PV 패널의 특성

태양광 전지의 매개변수 및 특성

태양광 전지란 정확히 무엇인가요?

태양 전지는 태양 복사를 전기로 변환할 수 있는 반도체 장치입니다. 중간 변환 없이 햇빛을 전기로 변환하는 능력은 사용 가능한 태양 에너지를 유용한 전기로 활용하는 고유한 기능을 제공합니다. 그래서 태양광 전지라고 합니다. 그림 1은 대표적인 태양전지를 나타낸 것이다.

다음과 같은 태양 전지에서 생성된 전기를 제어하는 ​​다양한 요인;

• 빛의 강도:태양광이 셀에 더 많이 비추면 셀에서 더 많은 전기가 생성됩니다.
• 셀 면적:셀의 면적을 늘리면 셀에서 발생하는 전류도 증가합니다.
• 입사각:셀에 떨어지는 빛이 표면에 수직이면 셀에서 생성되는 전력이 최적입니다. 이상적으로는 각도가 90 ^o 이어야 합니다. 그러나 실제로는 90 ^o 만큼 가까워야 합니다. .

태양 전지는 2단자 장치입니다. 하나는 양극(양극)이고 다른 하나는 음극(음극)입니다. 태양 전지 배열은 태양광 모듈 또는 태양 전지판으로 알려져 있으며 태양 전지판 배열은 광전지 배열로 알려져 있습니다.

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태양 전지의 작동

태양광은 한정된 양의 에너지를 가진 광자 그룹입니다. 세포에 의한 전기 생성을 위해서는 광자의 에너지를 흡수해야 합니다. 흡수는 광자의 에너지와 태양광 반도체 물질의 밴드갭 에너지에 따라 달라지며 전자볼트(eV)로 표시됩니다.

반도체 재료에 광자가 흡수되어 전자가 음전하이고 정공이 양전하인 전자-정공 쌍이 생성됩니다. 부하가 연결되면 접합부에서 전자와 정공이 분리되고 정공은 양극 쪽으로 이동하고 전자는 음극 쪽으로 이동합니다.

따라서 이 두 전하의 분리는 전위차를 생성하고 우리는 전지의 단자를 가로질러 전압을 얻습니다. 이 전압은 회로의 전류를 구동하는 데 사용됩니다.

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태양 전지 매개변수

태양광을 전기로 변환하는 것은 태양 전지의 다양한 매개변수에 의해 결정됩니다. 이러한 매개변수를 이해하려면 아래 그림 2와 같이 I – V 곡선을 살펴봐야 합니다. 곡선은 표 1의 데이터를 기반으로 그려졌습니다.

표 1

암페어	볼트	와트
0	VOC =11.4	0
0.2	11.06	2.21
0.4	10.59	4.24
0.5	10.24	5.12
0.6	9.54	5.72
0.61	9.39	5.73
나남 =0.62	VM =9.27	PM =5.75
0.63	9.08	5.72
0.64	8.72	5.58
나SC =0.65	0	0

셀 매개변수는 제조업체가 STC(표준 테스트 조건)에서 제공합니다. STC에서 해당 태양 복사는 1000W/m ² 와 같습니다. 셀 작동 온도는 25 ^o 와 같습니다. C. 태양 전지 매개 변수는 다음과 같습니다.

단락 전류(I_SC ):

단락 전류는 태양 전지에서 생성되는 최대 전류이며 암페어(A) 또는 밀리암페어(mA)로 측정됩니다. 표 1과 그림 2에서 알 수 있듯이 셀이 최대 전류를 생성할 때 개방 회로 전압은 0입니다(I_SC =0.65A).

단락 값은 셀 면적, 셀에 떨어지는 태양 복사, 셀 기술 등에 따라 다릅니다. 때때로 제조업체는 전류 값보다 전류 밀도를 제공합니다. 전류 밀도는 "J"로 표시되고 단락 전류 밀도는 "J_SC로 표시됩니다. ". 단락 전류 밀도는 단락 전류를 다음과 같이 태양 전지의 면적으로 나누어 구합니다.

J_SC =나_SC / 아

예를 들어 태양 전지의 전류 밀도는 40mA/cm ² 입니다. STC 및 200cm ² 영역에서 . 그런 다음 단락 전류는 다음과 같이 결정할 수 있습니다.

나_SC =Jsc × 면적 =40mA/cm ² × 200cm ² =8000mA =8A

개방 회로 전압(V_OC ):

개방 회로 전압은 전지가 개방 회로 조건에서 생성할 수 있는 최대 전압입니다. 볼트(V) 또는 밀리볼트(mV)로 측정됩니다. 표 1 및 그림 2에서 알 수 있듯이 셀이 최대 전압을 생성할 때 단락 전류는 0과 같습니다. V_OC 값 셀 기술과 셀의 작동 온도에 따라 다릅니다.

최대 파워 포인트(P_M ):

최대 전력점은 STC에서 태양 전지가 생산할 수 있는 최대 전력을 나타냅니다(즉, 태양 복사 조도 1000W/m ² ). 25 ^o 의 셀 작동 온도 씨). W_Peak 단위로 측정됩니다. 또는 단순히 W_P . STC 이외의 태양 전지에는 P_M이 있습니다. 서로 다른 광도 및 셀 작동 온도 값에서.

셀은 다양한 전류 및 전압 조합에서 작동할 수 있습니다. 그러나 최대 전력 P_M만 생성할 수 있습니다. 특정 전압 및 전류 조합에서. 그림 2에서 볼 수 있듯이 최대 전력점은 I – V 곡선의 무릎에 있으며 I_M 의 곱입니다. 그리고 V

P_M =나_M × V_M =0.62 × 9.27 =5.75 W_P

최대 전력점에서의 전류(I_M ):

최대 PowerPoint에서 작동할 때 태양 전지가 생성할 전류를 나타냅니다. I_M으로 표시됩니다. 그리고 그림 2에서 그 값이 항상 단락 전류(I_SC ). 암페어(A) 또는 밀리암페어(mA)로 측정됩니다.

최대 전력점에서의 전압(V_M ):

최대 PowerPoint에서 작동할 때 태양 전지가 생성할 전압을 나타냅니다. V_M으로 표시됩니다. 그리고 그림 2에서 그 값이 항상 개방 회로 전압(V_OC ). 볼트(V) 또는 밀리볼트(mV)로 측정됩니다.

채우기 비율(FF):

I_M 으로 덮인 영역을 나타냅니다. – V_남 I_SC 영역이 포함된 직사각형 – V_OC 그림 2의 점선과 같은 직사각형입니다. 채우기 계수는 I – V 곡선의 직각도를 나타냅니다. 백분율(%)로 표시되며 채우기 비율(%)이 높을수록 더 좋은 셀입니다.

FF =P_M / (나는_SC ×V_OC )

표 1과 그림 2의 데이터를 기반으로 다음과 같이 채우기 비율을 결정할 수 있습니다.

FF =[5.75 / (0.65 × 11.4)] × 100 =77.59 %

100을 곱하여 백분율로 표시합니다.

효율성(ƞ):

• 태양 전지 효율은 최대 출력 전력으로 정의됩니다(P_M )를 입력 전력(P_IN)으로 나눈 값 ). 백분율(%)로 측정되며, 이는 입력 태양광 전력의 이 백분율이 전력으로 변환됨을 나타냅니다. 입력 전력은 전력 밀도입니다. 따라서 효율성을 계산하려면 P_IN 을 곱하십시오. 지역별 STC에서 효율성은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

ƞ =P_M / (P_IN × 면적)

셀의 주어진 면적이 0.01m인 경우 ² , P_M =5.75 W_P 표준 테스트 조건에서 효율성은 다음과 같이 주어질 수 있습니다.

ƞ =[5.75W_P / (1000W/m ² × 0.01m ² )] =57.5%

100을 곱하여 백분율로 표시합니다.

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태양광 기술

시장에서 다양한 태양 전지를 사용할 수 있으며 태양 전지 기술의 이름은 해당 기술에 사용되는 재료에 따라 다릅니다. 따라서 셀마다 단락 전류 밀도, 효율, 개방 회로 전압, 충전율 등과 같은 셀 매개변수가 다릅니다. 다음 표 2는 상용 셀 목록과 해당 매개변수 값 범위를 보여줍니다.

표 2

셀 유형	효율(%)	개방 회로 전압(V)	현재 밀도(mA/cm 2 )	셀 면적(cm 2 ) )	채우기 비율(FF)
단결정 실리콘	14 – 17	0.55 – 0.68	30 – 38	5 – 156	70 – 78
다결정 실리콘	14 – 16	0.55 – 0.65	30 – 35	5 – 156	70 – 76
비정질 Si	6 – 9	0.70 – 1.1	8 – 15	5 – 200	60 – 70
카드뮴 텔루라이드	8 – 11	0.80 – 1.0	15 – 25	5 – 200	60 – 70
구리-인듐-갈륨-셀렌화물	8 – 11	0.50 – 0.7	20 – 30	5 – 200	60 – 70
비화갈륨	30 – 35	1.0 – 2.5	15 – 35	1 – 4	70 – 85

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태양 전지에 의해 생성된 전력에 영향을 미치는 요인

전환 효율성(ƞ):

태양 전지에 떨어지는 모든 빛이 전기 에너지로 변환되는 것은 아닙니다. 변환 효율은 입력된 빛 에너지에 대해 생성된 전기 에너지의 비율이라고 합니다. 제조 공정과 사용된 재료에 따라 셀의 효율성을 변경할 수 없으며 그 가치는 고정되어 있습니다.

태양 전지 최대 전력 P_M 셀 단자에서 발생하는 전압과 공급할 수 있는 전류에 따라 달라집니다. 셀 면적은 셀에서 발생하는 출력 전력에 영향을 미치는 중요한 요소 중 하나입니다. 출력 전력 값은 주어진 입력 전력에 대해 (W/m ² ), 셀의 변환 효율(%), 셀 면적(m ² ) ).

태양 전지 효율은 STC 및 입력 전력(P_IN )는 1000W/m ² 로 간주됩니다. . 따라서 아래 주어진 공식을 사용하여 다양한 효율에 대해 생성된 출력을 결정할 수 있습니다.

P_M =(P_IN × 면적) × ƞ

효율이 30%와 25%이고 면적이 0.01m2인 STC에서 출력 전력을 계산해야 한다고 가정해 보겠습니다. ² . 따라서 30%의 효율성을 얻을 수 있습니다.

P_M =(1000W/m ² × 0.01m ² ) × 0.30 =3 W_P

그리고 25%의 효율성을 얻을 수 있습니다.

P_M =(1000W/m ² × 0.01m ² ) × 0.25 =2.5W_P

입력 광량:

셀에 떨어지는 빛의 강도는 하루 종일 계속 변합니다. 셀에 떨어지는 빛에 따라 셀의 전류와 전압이 바뀝니다. 셀에서 생성된 전류는 셀에 떨어지는 빛에 직접적으로 의존합니다.

오전부터 오후까지 셀에 떨어지는 빛이 증가하므로 셀에서 생성되는 전류도 증가합니다. 오후부터 일몰까지 셀에 떨어지는 빛이 감소하므로 셀에서 생성되는 전류도 감소합니다. 태양광의 변화에 ​​영향을 받지 않기 때문에 셀의 출력 전압에는 큰 변화가 없습니다.

면적이 0.01m ² 인 셀의 출력 전력을 계산해야 한다고 가정해 보겠습니다. 1000W/m ² 입력 전력의 경우 및 800W/m ² 25%의 효율을 갖는다. 따라서 1000W/m ² 입력 전력의 경우 우리는 다음과 같이 출력 전력을 얻습니다.

P_M =(1000W/m ² × 0.01m ² ) × 0.25 =2.5W_P

입력 전력 800W/m ² ;

P_M =(800W/m ² × 0.01m ² ) × 0.25 =2 W_P

보다시피 입력 전력의 감소로 인해 출력 전력의 감소가 있습니다. 따라서 세포에서 생성되는 전력량은 태양광에 비례합니다.

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셀 영역:

태양 전지의 단락 전류는 전지의 면적에 따라 다릅니다. 출력 전류는 셀 면적에 정비례합니다. 셀 면적이 클수록 생성되는 전류의 양도 많고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 예를 들어 200cm ² 영역은 2A 전류와 200cm ² 1000W/m ² 의 동일한 조도에 대해 4A 전류를 생성합니다. .

이전에 보았듯이 현재 밀도는 전류를 셀 면적으로 나누어 구합니다. 전류 밀도(J_SC )는 주어진 태양광 강도에 대해 고정되며 면적에 의존하지 않습니다. 면적이 20cm ² 인 태양 전지의 출력 전류를 계산해야 하는 예를 들어보겠습니다. 및 50cm ² .

정전류 밀도 35mA/m ² . 20cm ² 의 출력 전류 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

나_SC =J_SC × 면적 =35mA/m ² × 20cm ² =0.70A

50cm의 출력 전류 ² 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

나_SC =J_SC × 면적 =35mA/m ² × 50cm ² =1.75A

따라서 위의 계산에서 셀 면적이 클수록 전류 값이 커지고 셀 면적이 작을수록 전류 값이 됨을 알 수 있습니다.

빛의 각도(θ):

태양 전지는 빛의 각도와 전지가 서로 수직일 때(90 ^o ) 주어진 햇빛에 대해 최대 출력을 생성합니다. ) 그림 3과 같이 빛의 입사각이 90도 이하일 때 ^o 그림 3과 같이 셀의 최대 출력 전력 용량보다 낮은 출력 전력을 생성합니다.

빛이 90°보다 크거나 작은 각도로 떨어지는 경우 ^o 빛의 일부는 반사되고 셀에서 사용하는 빛은 실제 떨어지는 것보다 적습니다. 그 결과 셀에서 생성된 출력 전력이 감소합니다. 이러한 이유 때문에 가능한 최대의 전기를 생산하기 위해 태양 전지를 떨어지는 빛과 수직인 각도로 설치해야 합니다.

작동 온도(T):

제조업체는 1000W/m2의 방사조도를 갖는 STC에서 셀 전압, 전류 및 정격 전력을 제공합니다. ² 25 ^o 온도 그러나 실제로는 주변 온도에 따라 태양 전지의 온도가 달라지며, 나아가 전지가 유리로 둘러싸여 있기 때문에 태양 전지의 온도가 더욱 상승하게 됩니다.

이러한 온도 변화는 셀의 전압, 전력 및 효율성에 영향을 미치며, STC 이상으로 셀 온도가 상승하면 이러한 매개변수의 출력이 감소합니다. 이러한 매개변수의 감소는 시장에서 판매되는 다양한 태양 전지에 따라 다릅니다.

파라미터(예:전압) 중 하나의 감소를 이해하기 위해 예를 들어 보겠습니다. 셀의 출력 전압은 STC에서 0.9V입니다. 셀의 작동 온도는 50 ^o 입니다. C. 셀의 출력 전압이 2.1mV/ ^o 감소합니다. C. 출력 전압의 새로운 값은 얼마가 될 수 있습니까?

ΔT =T_실제 – T_표준 =50 – 25 =25 ^o C

감소된 출력 전압 =개방 회로 전압(V_OC ) STC에서 – (전압 감소 – ΔT) =0.9 – (2.1 × 10 ^-3 × 25) =0.84V

위의 계산에서 온도가 STC 이상(즉, 25 ^o 이상)으로 상승하면 출력 전압이 감소한다는 결론을 내릴 수 있습니다. 다).

결론

풍부한 태양광을 전기로 변환할 수 있는 것은 반도체 기술의 발달 덕분입니다. 이 기사에서 우리는 태양 전지의 작동, 다양한 유형의 전지, 개방 전압, 단락 전류 등과 같은 다양한 매개변수를 연구하여 전지의 특성을 이해하는 데 도움이 됩니다. 성능에 영향을 미치고 다른 시나리오에서 셀의 동작을 이해하는 데 도움이 되는 전력 변환 효율, 입력 광량, 셀 면적 등 셀에서 생성된 전력에 영향을 미치는 요소도 연구했습니다. 태양 전지 기술에 대한 이해를 바탕으로 우리는 일상적인 에너지 요구 사항을 충족하는 데 태양 전지를 최대한 활용할 수 있습니다.