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Ersatzschaltbildmodell einer Solarzelle

1950
Analyse des Ersatzschaltbildes einer Solarzelle in einem Elektroniklabor.

(Abbildung dient nur zur Veranschaulichung)

Eine Solarzelle kann durch ein elektrisches Ersatzschaltbild modelliert werden. Das einfachste Modell umfasst eine Stromquelle, die den durch das Licht erzeugten Strom darstellt ([latex]I_L[/latex]), parallel zu einer Diode, die den p-n-Übergang darstellt. Ein genaueres Modell fügt einen parallelen Shunt-Widerstand ([latex]R_{sh}[/latex]) für Leckströme und einen Serienwiderstand ([latex]R_s[/latex]) für den Kontakt- und Materialwiderstand hinzu.

Das Ersatzschaltbild ist ein leistungsfähiges Instrument zum Verständnis und zur Analyse des elektrischen Verhaltens einer Solarzelle. Es abstrahiert die komplexe Halbleiterphysik in ein einfaches Schaltbild mit wenigen Schlüsselkomponenten. Der Kern des Modells ist eine ideale Stromquelle, die einen Strom, [latex]I_L[/latex], erzeugt, der direkt proportional zur einfallenden Lichtintensität ist. Dies stellt die Erzeugung von Elektron-Loch-Paaren durch Photonen dar.

Parallel zu dieser Stromquelle befindet sich eine Diode. Diese Diode modelliert das Verhalten des p-n-Übergangs selbst. Im Dunkeln ist die Solarzelle nur eine Diode, und ihre Strom-Spannungs-Kennlinie (I-V) entspricht der idealen Diodengleichung. Bei Beleuchtung wird ein Teil des durch das Licht erzeugten Stroms durch diese interne Diode umgeleitet, ein Prozess, der als Rekombination bekannt ist und nicht zum Ausgangsstrom beiträgt. Der Gesamtausgangsstrom [latex]I[/latex] ist daher der fotogenerierte Strom abzüglich des Diodenstroms: [latex]I = I_L - I_D[/latex].

Für eine realistischere Darstellung werden zwei parasitäre Widerstände hinzugefügt. Ein Serienwiderstand, [latex]R_s[/latex], berücksichtigt den Widerstand der Metallkontakte, des Emitters und des Halbleitermaterials. Er verursacht einen Spannungsabfall, der die Klemmenspannung und die FüllfaktorEin Shuntwiderstand, [latex]R_{sh}[/latex], ist parallel zur Diode und Stromquelle geschaltet. Er repräsentiert Leckströme über den pn-Übergang, die häufig durch Herstellungsfehler verursacht werden. Ein niedriger Shuntwiderstand bietet einen alternativen Pfad für den photogenerierten Strom und reduziert so den an die Last abgegebenen Strom. Die Grundgleichung für dieses Ein-Dioden-Modell lautet: [latex]I = I_L – I_0 left[ expleft(frac{V+IR_s}{n k_B T/q}right) – 1 right] – frac{V+IR_s}{R_{sh}}[/latex], wobei [latex]I_0[/latex] der Dioden-Sättigungsstrom und [latex]n[/latex] der Idealitätsfaktor ist.

UNESCO Nomenclature: 2205
- Elektronik

Typ

Abstraktes System

Störung

Wesentliche

Verwendung

Weitverbreitete Verwendung

Vorläufer

  • Entwicklung der Diodentheorie (Shockley-Diodengleichung)
  • ohmsches Gesetz
  • kirchhoffsche schaltgesetze
  • Erfindung der pn-Übergangssolarzelle

Anwendungen

  • Vorhersage der Solarzellenleistung unter verschiedenen Bedingungen
  • Charakterisierung von Solarmodulen in der Fertigung (IV-Kurvenverfolgung)
  • Entwicklung von Algorithmen zur Verfolgung des maximalen Leistungspunkts (MPPT)
  • Simulation des Verhaltens großer Photovoltaikanlagen

Patente:

NA

Potenzielle Innovationsideen

  • self-diagnosing solar panels that use impedance Spektroskopie to monitor rs and rsh in real-time
  • KI-basierte MPPT-Controller, die den genauen Ersatzschaltkreis eines Panels für eine bessere Nachverfolgung erlernen
  • On-Chip-integrierte Schaltkreise, die Änderungen der parasitären Widerstände dynamisch kompensieren
  • Quantenschaltungsmodelle für Quantenpunkt-Solarzellen der nächsten Generation
  • verteilte Spice-Modelle zur Simulation großer, teilweise verschatteter Solaranlagen mit hoher Genauigkeit
  • Bioinspirierte Schaltungsmodelle für organische Photovoltaikzellen
  • Memristor-basierte Modelle zur Berücksichtigung von Hystereseeffekten in Perowskit-Solarzellen
  • digitaler Zwilling of a solar farm using real-time equivalent circuit parameter extraction
Verwandt mit: Ersatzschaltbild, Solarzellenmodell, Serienwiderstand, Nebenschlusswiderstand, Diode, Fotostrom, i-v-Kurve, Füllfaktor.

Historischer Kontext

Ersatzschaltbildmodell einer Solarzelle

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(wenn das Datum unbekannt oder nicht relevant ist, z. B. „Strömungsmechanik“, wird eine gerundete Schätzung seines bemerkenswerten Auftretens bereitgestellt)

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