Přeměna solární energie
Physical Background
Základem fotovoltaického článku je polovodičová dioda obvykle na bázi přechodu PN. Její voltampérová charakteristika za tmy v ideálním případě bez vlivu sériového a paralelního odporu je:
kde J je proud protékající diodou, J0 je závěrný proud, U je napětí, k je Boltzmannova konstanta, T je absolutní teplota, n je součinitel ideality diody, který souvisí s mechanismem přenosu náboje diodou, e je náboj elektronu.
Při osvětlení se dioda změní na zdroj elektrického proudu. Náhradní schéma osvětleného článku jako generátoru proudu JL s paralelně připojenou diodou je na Obr. 1 vlevo. Reálně vedle odporu zátěže R je třeba počítat se sériovým odporem Rs a paralelním odporem Rsh. Odpor Rs zastupuje odpor objemu polovodiče a kontaktů, zatímco Rsh souvisí obvykle se svody. Voltampérová charakteristika má pak tvar:
Tuto závislost ukazuje Obr. 1 vpravo ve 4. kvadrantu; UOC a JSC jsou hodnoty napětí naprázdno a proudu nakrátko, které jsou ovlivněny právě sériovým a paralelním odporem. Plocha největšího vepsaného obdélníku udává největší výkon, který lze z článku získat (Um·Jm). Účinnost článku je pak poměr tohoto výkonu k výkonu P dopadajícího světla. Roli přitom hraje také odraz světla od povrchu materiálu charakterizovaný reflektivitou, která činí u křemíku asi 35 %. Za předpokladu velkého paralelního odporu je možno ze směrnice k voltampérové charakteristice v bodě UOC získat přímo hodnotu sériového odporu. Na obrázku jsou tečnami znázorněny převrácené hodnoty odporů Rs a Rsh.
Ze změřené závislosti proudu na napětí lze také určit tzv. faktor zaplnění (FF) jako:
Maximální výkon je Pmax = JSC·UOC·FF a účinnost článku je pak Pmax/P.
Autoři studijního textu: doc. RNDr. Jana Toušková, CSc. a doc. RNDr. Jiří Toušek, CSc. (MFF UK v Praze), únor 2022.