III–V-Puolijohdeaurinkokennojen Mallinnus Diodiyhtälöllä

Abstract

Puolijohdeaurinkokennot ovat rakenteeltaan optimaalisia aurinkoenergian muuttamiseen sähköenergiaksi. Siksi aurinkokennojen kehitys on painottunut historiallisesti niiden kehitystyöhön, jonka lopputuloksena on tullut parhaimmillaan lähes 50 % hyötysuhteiset puolijohdeaurinkokennot. Puolijohdeaurinkokennon tarkoitus on tuottaa energiaa sähköiseen piiriin, joten onkin tärkeää osata kuvata kennoa osana virtapiiriä. Tästä syystä aurinkokennolle on kehitetty erilaisia virtapiiri ekvivalentteja malleja. Niistä yksi niistä on kaksidiodimalli.

Malli koostuu tunnetuista sähköisistä komponenteista, jotka ovat: rinnakkain kytketty kaksi diodia, virtalähde sekä vastus ja lisäksi sarjaan kytketty toinen vastus. Diodeista toinen kuvaa rekombinaatiota kvasineutraalilla alueella ja toinen tyhjennysalueella. Rinnakkaisvastus puolestaan kuvaa mahdollisia vuotovirtoja kennossa ja sarjavastus ohmisia häviöitä. Kaksidiodimalli saadaan määriteltyä aurinkokennolle kätevästi sovittamalla sille tehtyyn virta-jännitemittaukseen mallin mukainen virtayhtälö. Tässä työssä tarkastellaan aurinkokennon virtapiirimallien käyttöä, sekä luodaan kaksidiodimallin virtayhtälön sovitukseen sovitusalgoritmi, joka käyttää hyväkseen Lambertin W -yhtälöä ja Nelder-Mead algoritmia. Työ jakautuu neljään osaan: aurinkokennon ominaisuuksien kuvaamiseen tunnetuilla sähköisillä komponenteilla, kaksidiodiyhtälön sovittamiseen virta-jännitekuvaajaan, luodun sovitusalgoritmin ja kaksidiodimallin toimivuuden tarkasteluun sekä esimerkkiin mallin soveltamisesta tutkimuksessa. Työssä luotu algoritmi on testattu galliumarsenidi (GaAs) pohjaisten puolijohdeaurinkokennojen diodimallin määrittämiseen. Tutkimusesimerkissä samojen aurinkokennojen diodimallin käyttäytymistä on tutkittu protonisäteilyn alla. Säteily vastaa avaruudessa operoivien kennojen toimintaympäristöä Van Allenin sisemmällä ionivyöhykkeellä. Tulosten perusteella algoritmi toimii tehokkaasti sekä sen luomat sovitteen vastaavat erinomaisesti kennojen virta-jännitemittauksia. Kaksidiodimalli kuvaa siis erinomaisesti GaAs pohjaista puolijohdeaurinkokennoa, sen yksinkertaisesta luonteestaan huolimatta. Protonisäteilytettyjen kennojen tutkimuksesta selviää, että diodien saturaatiovirrat kasvavat jyrkästi tietyn säteilytysannoksen jälkeen, mutta rinnakkaisvastus puolestaan pysyy melko muuttumattomana. Sarjavastuksen muutosta ei voitu luotettavasti määritellä menetelmällä.

Semiconductor solar cells have optimal structure for solar energy conversion to electrical energy. It is the main reason why solar cell development has historically focused to semiconductors which has yield almost 50 % efficient semiconductor solar cells. Main function of the solar cell is to provide electrical power to an external circuit. That is why it is important to develop circuit equivalent models for solar cells. One of the most used circuit equivalent models is double diode model.

Double diode model consists of well-known electrical components which are: two parallel diodes, current source, resistors in parallel and series. The first diode models recombination at quasi neutral regions of the cell and the second diode models recombination at depletion region of the cell. Resistor in parallel models shunt currents and in series it models ohmic losses in the cell. The current source models light generated current caused by sunlight. Determining the double diode model to solar cell is relatively straight forward. It can be extracted from current voltage measurement of the cell by fitting the equivalent current equation derived from circuit model. In this theses circuit models for solar cell is revised and working fitting algorithm for double diode model is created using Lamber W function and Nelder-Mead algorithm. This theses is divided to four parts: review of solar cell modelling with electrical components, how double diode model can be determined from current voltage measurement, fitting algorithm’s and double diode model’s fitness and lastly an example how double diode model can be utilized at solar cell research. Algorithm made in this work has been used to extract double diode model from gallium arsenide (GaAs) based semiconductor solar cells. At the research example same solar cells diode model parameters behaviour has been studied under proton radiation. Radiation is similar that solar cells are under satellite operations at lower Van Allen radiation belt. Results conclude that algorithm works efficiently, and it fits accurately double diode model to given data. It is also concluded that double diode model describes well the GaAs based solar cell’s current voltage behaviour regardless its simple nature. Proton radiation research concludes that diodes’ saturation currents starts to rise quickly after critical dose of protons. The parallel resistance at the other hand stays the same and the series resistance’s behaviour could not be determined with the method.