Μετρήσεις χαρακτηριστικών I-V ηλιακών κυττάρων πολυκρυσταλλικού Si και μοντελοποίησή τους

1. Μετρήσεις χαρακτηριστικών I-V ηλιακών
κυττάρων πολυκρυσταλλικού Si και
μοντελοποίησή τους
Επιβλέπων καθηγητές:
Ελευθέριος Σκούρας
Δημήτριος Αναγνωστόπουλος
ΠΑΝΕΜΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ
Παρουσίαση εργασίας:
Γεωργίου Ευαγόρας
Πτυχιακή εργασία

2. Ενότητες που θα μελετήσουμε
1.Φυσική του ηλιακού κυττάρου
2.Εργαστηριακά όργανα και πειραματική διάταξη
3.Μετρήσεις δυο και τεσσάρων σημείων
4.Ισοδύναμα ηλεκτρικά κυκλώματα και προσομοίωση των
πειραματικών μετρήσεων με βάση αυτά
5.Προσδιορισμός της αντίστασης σε σειρά
6. Αναγωγή των μεγεθών του ηλιακού κυττάρου σε S.T.C
και σύγκριση με τα αντίστοιχα δεδομένα της εταιρείας
Sunways.

3. Η επαφή p-n
Επαφή p-n κρυσταλλικού Si
Διάχυση Διαφορά συγκέντρωσης
Ολίσθηση ηλεκτρικό πεδίο

4. Δημιουργία περιοχής απογύμνωσης και
φωτοβολταικό φαινόμενο

5. Ηλιακά κύτταρα
•Sunways

6. Χαρακτηριστική I-V

7. Διαγραμματική διάταξη μετρήσεων
Πηγή φωτός Φωτόμετρο
Ηλιακό κύτταρο Θερμόμετρο
Πολύμετρο
Η/Υ

8. Εικονική διάταξη μετρήσεων

9. Πηγή φωτός
• Ήλιος
• Λυχνία (RADIUM)

10. Φωτόμετρο
• SOLARC (MacSolar)

11. Θερμόμετρο δέσμης Laser
• FLUKE (IR Thermometer)

12. Keithley 2420
•Δεδομένα κατασκευαστή
Πηγή τάσης : 5μV-63V
Μέτρηση τάσης : 1μV-63,3V
Πηγή ρεύματος : 500pA-3,15A
Μέτρηση I 1000pA-3,165A
Μέτρηση αντίστασης 10μΩ-21,1ΜΩ
Μέγιστη πηγή ισχύος 66W

13. Συνδεσμολογία 2 και 4 σημείων
(A) (B)

14. Cables Μήκος
Large 5m
Short 0,6m
Α. Large Cables
Β. Short Cables
A
B
Σύγκριση των δυο συνδεσμολογιών

15. Μέτρηση I-V 4 σημείων
• Σύγκριση κοντών-μακριών καλωδίων
Μήκος καλωδίων

16. Ερμηνεία της συνδεσμολογίας 2 και 4 σημείων

17. Μοντελοποίηση χαρακτηριστικής
 VfI
?


18. Ισοδύναμα ηλεκτρικά κυκλώματα
)1(0  TV
V
ph eIII





 

0
0
ln
I
III
VV
ph
T
p
S
T
S
ph
R
RIV
V
IRV
III
.
1exp0












 

V=?
p
S
T
S
T
S
ph
R
RIV
V
IRV
I
V
IRV
III
.
1exp1exp
2
02
1
01












 











 

V=?











 
 1exp0
T
pv
ph
V
IRV
III
pv
ph
T RI
I
III
VV .ln
0
0





 


19. Μοντελοποίηση με βάση το κύκλωμα “2”











 
 1exp0
T
pv
ph
V
IRV
III
ISC
V0C
IPmax
VPmax
Rpv
VT
Io
Iph

20. Προσδιορισμός των μεγεθών Rpv,VT,Io,Iph







maxmax
max
max
1
P
SC
P
P
P
SC
pv
I
I
I
V
I
I
MR






 4
max
3
0
max
2
0
maxmax
1
0
.
.
k
I
I
k
V
V
k
VI
VI
k
I
V
M
Sc
P
C
P
CSC
PP
SC
C




























422,4
417,3
450,6
411,5
4
3
2
1
k
k
k
k
k
SCph II 







T
C
SC
V
V
II 0
0 exp.
SCpvT IRMV )( 
ISC
V0C
IPmax
VPmax
Rpv
VT
Io
Iph
Bibliography: Andreas Wagner
Peak-Power and internal series
resistance measurement under
natural ambient conditions

21. E(W/m^2) Rpv (Ω) VT (Volt) Io (A) Iph (A)
503 -0,02684 0,057798 0,000141 1,252748
Ε (W/m^2) Isc (Α) Voc (Volt) Vpmax (Volt) Ipmax (A)
503 1,252748 0,5257 0,4288 1,11255











 
 1exp0
T
pv
ph
V
IRV
III
Μοντελοποίηση πειραματικών μετρήσεων (1)
503W/m^2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V(Volt)
I(Amper)
503W/m^2
503W/m^2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V(Volt)
I(A)
503W/m^2
I.K 2

22. E(W/m^2) Rpv (Ω) VT (Volt) Io (A) Iph (A)
560 -0,01656 0,056077 0,000224 2,312039
560W/m^2
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V (Volt)
I (A)
560 W/m^2
Ε (W/m^2) Isc (Α) Voc (Volt) Vpmax (Volt) Ipmax (A)
560 2,312039 0,518337 0,42766 2,06168
560W/m^2
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V (Volt)
I (A)
560 W/m^2
I.K 2











 
 1exp0
T
pv
ph
V
IRV
III
Μοντελοποίηση πειραματικών μετρήσεων (2)

23. Σύγκριση πειράματος - μοντέλου
-3
-2
-1
0
1
2
3
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6
Τάση (Volt)
Απόκλιση(%)
560 W/m^2
503 W/m^2

24. Προσδιορισμός της αντίστασης σε σειρά Rs
• Προϋποθέσεις
1. Δυο χαρακτηριστικές I-V για με και ίδια
φασματική κατανομή.
2. Τ: σταθ. ( )
)/(),/( 2
2
2
1 mWJmWJ
Cά o
2 
21 JJ 

25. Isc1
Voc1
Ipmax1
Vpmax1
Rpv1
VT1
I01
Iph1
M1
Rpv2
VT2
I02
Iph2
M2
Isc2
Voc2
Ipmax2
Vpmax2

26. Ο υπολογισμός της Rs γίνεται μέσω της σχέσης
όπου
με
και
2.5,0 SCII 
pv
ph
T RI
I
III
VV .ln
0
0





 

),,,,( 1011111 phTpvSC IIVRIIVV 
),,,,( 2022222 phTpvSC IIVRIIVV 
21
12
SCSC
S
II
VV
R


 (1)
(2)
)( 12 scsc II 

27. Isc1 (A) 2,757441
Voc1 (Volt) 0,537961
Ipmax (A) 2,48739
Vpmax (Volt) 0,44876
M(Ω) -0,00602
Rpv1 (Ω) -0,01291
VT1 (Volt) 0,052208
Io1 (A) 9,24E-05
Iph1=Isc1 (A) 2,757441
Isc2 (A) 1,252748
Voc2 (Volt) 0,525701
Ipmax (A) 1,11255
Vpmax (Volt) 0,4288
M(Ω) -0,02285
Rpv2 (Ω) -0,01972
VT2 (Volt) 0,052915
Io2 (A) 5,97E-05
Iph2=Isc2 (A) 1,252748
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V (Volt)
I (A)
503 W/m^2
700 W/m^2
ΔI (A) 0,626374
V1 (Volt) 0,488107
V2 (Volt) 0,502255
 009403,01SR
2
/503 mW2
/700 mW
Υπολογισμός της RS μέσω χαρακτηριστικών I-V

28. -0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
V (Volt)
I (A)
585W/m^2
700 W/m^2
Isc2 (A) 2,083579
Voc2 (Volt) 0,525701
Ipmax (A) 1,11255
Vpmax (Volt) 0,4288
M (Ω) -0,02285
Rpv2 (Ω) -0,01972
VT2 (Volt) 0,052915
Io2 (A) 5,97E-05
Iph2=Isc2 (A) 1,252748
Isc1 (A) 2,757441
Voc1 (Volt) 0,537961
Ipmax (A) 2,48739
Vpmax (Volt) 0,44876
M(Ω) -0,00602
Rpv1 (Ω) -0,01291
VT1 (Volt) 0,052208
Io1 (A) 9,24E-05
Iph1=Isc1 (A) 2,757441
2
/700 mW 2
/585 mW
 5
2 10*61,1SR
ΔI (A) 1,041789
V1 (Volt) 0,5093
V2 (Volt) 0,509311
Υπολογισμός της RS μέσω χαρακτηριστικών I-V

29. Εύρεση μέγιστης ισχύος σε STC
),( 00max jPK TEPP 
Πρότυπες συνθήκες (STC)
Ακτινοβολία
Ηλιακό φάσμα ΑΜ 1.5
Θερμοκρασία ηλιακού
κυττάρου
298KC25T 0
j0 
20 1000
m
W
E 

30. Mετατροπή της μέγιστης ισχύς σε STC;
Για μετρήσεις δυο ηλιακών κυττάρων σε (J1,T1) Κ΄ (J2,T2)
P1< = > P2
Εύρεση των μεγεθών
Μέτρηση της για A.M=1.5
Τα δεδομένα της σχέσης αναγράφονται
συνήθως πάνω στο φωτοβολταϊκό πλαίσιο

PhoxSCeff KIE . 2
/ mWPhox 
.PhoxK
5.1
5.1
SCAM
AM
Phox
I
E
K 
000max0max ,,,,,, ocSCPPPKPhoxeff VIVIPKE
(3) (4)
(5)

31. 0max0max . PPPK VIP 
eff
PP
E
E
II 0
max0max 



















 1.ln
)(1
0
max
00
0
max
0max
eff
pvP
effj
j
T
jjT
P
P
E
E
RI
E
E
T
T
V
TTC
V
V
eff
SCSC
E
E
II 0
0 .
max
0max
0 .
P
P
ococ
V
V
VV 
Tj
Τυπική τιμή 1
0044,0 
 KCT
(6)
(7)
(8) (9)
(10)
Εύρεση των μεγεθών σε S.T.C

32. Καταγραφή μετρήσεων και αποτελεσμάτων σε
πίνακες
Για διάφορες J μετρήσαμε την αντίστοιχη T
Eff (Phox) Ipmax0 (A) Vpmax0 (Volt) Pk (W) Isc0 (A) Voc0 (Volt)
573,23 3,464 0,534 1,850 3,91 0,635
579,25 3,498 0,507 1,774 3,91 0,612
657,53 3,479 0,505 1,756 3,91 0,598
668,97 3,494 0,503 1,759 3,91 0,599
CK 0
273
E
(W/m^2)
Isc=Iph
(A)
Voc (Volt) Imax (A)
Vmax
(Volt)
M (Ω) Rpv (Ω) Vt (Volt)
T (K)
618 2,241 0,553 1,986 0,465 -0,00051 -0,02954 0,067 291,6
624 2,265 0,555 2,026 0,460 -0,0075 -0,01835 0,059 290,8
721 2,571 0,546 2,287 0,461 -0,00045 -0,02445 0,064 295,1
761 2,616 0,556 2,337 0,467 -0,00256 -0,02092 0,061 294,2

33. %33,1100.
603
603611
100.
.)(
.)(.)(
)%(
0
00
0 




 


mV
mVmV
V
VV
Vά
oc
ococ
oc



mVVoltV oc 6116110245,0
4
599182,0598437,0611502,0634977,0
0 



Σύγκριση πειραματικών τιμών με τις αντίστοιχες
της εταιρείας Sunways

34. A
AAAA
IP 484,3
4
494,3479,3498,3464,3
0max 



mVV
VVVV
P 512
4
503,0505,0507,0534,0
0max 



%58,0100.
46,3
46,348,3
%0max( ) 


 

pά
%40,0100.
510
510512
0max( )% 



mV
mVmV
pά V

35. 10
10,2
10,4
10,6
10,8
11
11,2
11,4
11,6
11,8
12
1 2 3 4 5
N(αριθμός μέτρησης)
Απόδοση(%)
1. 560 W/m^2 32.4 C
2. 583 W/m^2 30.4 C
3. 612 W/m^2 36.8 C
4. 623 W/m^2 34.0 C
5. 689 W/m^2 31.4 C
Προσδιορισμός της μέσης απόδοσης %

36. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ
• Η Μέθοδος 4 σημείων δίδει απόδοση ηλ.
κυττάρου με μεγαλύτερη ακρίβεια από αυτή των
δυο σημείων
• Το μήκος των καλωδίων δεν επηρεάζει τις
μετρήσεις μας στη μέθοδο 4 σημείων
• Το μοντέλο του Ι.Κ2 δίδει ικανοποιητική
προσέγγιση στη περιοχή λειτουργίας του
ηλιακού κυττάρου
• Για μικρή αντίσταση Rs → Η γραφική Ι-V
προσεγγίζει την Ι-V του ιδανικού κυττάρου.
• Αναγωγή των μεγεθών Isc, Voc, Ipmax, Vpmax
σε (STC) και σύγκριση με τις τιμές του
κατασκευαστή→ μικρή απόκλιση

37. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ
• Σκούρας Ελευθέριος
Επίκουρος καθηγητής του Π.Ι
• Δημήτριος Αναγνωστόπουλος
Διδάκτωρ του Π.Ι
• Θεόδωρος Μακρής
Υποψήφιος Διδάκτωρ

38. POST YOUR ARTICLES AND AFFILIATE
LINKS AT
www.SocioPins.com

39. Εξήγηση σφάλματος τάσης
Ιο<<Ιsc
Για ΔΙ=0,2A και κοντά στη περιοχή Voc












 1exp
KT
eV
IoIscI 




 

I
IoIsc
e
KT
V ln.....







I
Isc
e
KT
V ln.
%3,63100.
)3,0/7,1ln(
)3,0/1,0ln(
100.
)/ln(
)/ln(
100.%
2
21
2
12



IIsc
II
V
VV
ά