Ersatzschaltbildmodell einer Solarzelle
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].
Um eine realistischere Darstellung zu erreichen, 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 den Füllfaktor verringert. Ein Shunt-Widerstand, [latex]R_{sh}[/latex], ist parallel zur Diode und zur Stromquelle geschaltet. Er stellt einen Leckstrompfad für den Strom über den p-n-Übergang dar, der häufig auf Fertigungsfehler zurückzuführen ist. Ein niedriger Shunt-Widerstand bietet einen alternativen Pfad für den fotogenerierten Strom und reduziert den an die Last abgegebenen Strom. Die Grundgleichung für dieses Einzeldiodenmodell lautet: [latex]I = I_L - I_0 \left[ \exp\left(\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 Diodensättigungsstrom und [latex]n[/latex] der Idealitätsfaktor ist.
UNESCO Nomenclature: 2205
- Elektronik
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
Potenzielle Innovationsideen
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Verwandt mit: Ersatzschaltbild, Solarzellenmodell, Serienwiderstand, Nebenschlusswiderstand, Diode, Fotostrom, i-v-Kurve, Füllfaktor.