Faktory ovlivňující účinnost přeměny energie byly vysvětleny v mezníkovém dokumentu Williamem Shockleym a Hansem Queisserem v roce 1961. Další podrobnosti viz limit Shockley – Queisser.
Limit termodynamické účinnosti a limit nekonečného zásobníkuEdit
Shockley-Queisserův limit pro účinnost solárního článku s jedním spojem při nekoncentrovaném slunečním světle při 273 K. Tato vypočítaná křivka využívá skutečná data slunečního spektra, a proto je křivka zakřivena infračervenými absorpčními pásy v atmosféře. Tento limit účinnosti ~ 34% lze překročit u vícefunkčních solárních článků.
Pokud má někdo zdroj tepla při teplotě Ts a chladič při teplotě Tc, maximální teoreticky možná hodnota pro poměr práce (nebo elektrické energie) získané k dodanému teplu je 1-Tc / Ts, daná tepelným motorem Carnot. Pokud vezmeme 6000 K pro teplotu slunce a 300 K pro okolní podmínky na Zemi, dosáhne to 95%. V roce 1981 Alexis de Vos a Herman Pauwels ukázali, že je to možné se zásobou nekonečného počtu buněk s mezerami v pásmu od nekonečna (první buňky, na které narazí příchozí fotony) po nulu, s napětím v každé buňce velmi blízko napětí naprázdno, které se rovná 95% pásmové mezery této buňky, a se zářením 6000 K černého tělesa přicházejícím ze všech směrů. Takto dosažená 95% účinnost však znamená, že elektrická energie je 95% čistého množství absorbovaného světla – komín vyzařuje záření, protože má nenulovou teplotu, a toto záření je třeba odečíst od příchozího záření při výpočtu množství přenášeného tepla a účinnost. Uvažovali také o relevantnějším problému maximalizace výstupního výkonu pro komín, který je osvětlován ze všech směrů vyzařováním černého tělesa 6000 K. V tomto případě musí být napětí sníženo na méně než 95% odstupu pásma (procento není konstantní ve všech buňkách). Vypočítaná maximální teoretická účinnost je 86,8% pro hromadu nekonečného počtu buněk při použití přicházejícího koncentrovaného slunečního záření. Když přicházející záření pochází pouze z oblasti oblohy o velikosti slunce, mez účinnosti klesá na 68,7%.
Konečná účinnostEdit
Normální fotovoltaické systémy však mají pouze jednu –N křižovatkou, a proto podléhají nižší hranici účinnosti, kterou Shockley a Queisser nazývají „konečnou účinností“. Fotony s energií pod pásmovou mezerou absorpčního materiálu nemohou generovat pár elektron-díra, takže jejich energie není přeměněna na užitečný výstup a teplo generuje pouze v případě, že je absorbována. U fotonů s energií nad energií mezery v pásmu lze převést na užitečný výstup pouze zlomek energie nad energií pásma. Když je absorbován foton s větší energií, přebytečná energie nad pásmovou mezerou se převede na kinetickou energii kombinace nosičů. Přebytečná kinetická energie se přeměňuje na teplo prostřednictvím interakcí fononů, protože kinetická energie nosičů zpomaluje na rovnovážnou rychlost. Tradiční články s jedním spojem s optimální mezerou pásma pro sluneční spektrum mají maximální teoretickou účinnost 33,16%, což je limit Shockley – Queisser.
Solární články s materiály absorbujícími více pásem zlepšují účinnost dělením solární energie spektrum do menších košů, kde je limit termodynamické účinnosti pro každý zásobník vyšší.
Kvantová účinnostEdit
Jak je popsáno výše, když je foton je absorbován solárním článkem a může produkovat pár elektron-díra. Jeden z nosičů může dosáhnout křižovatky p – n a přispívat k proudu produkovanému solárním článkem; takový dopravce se říká, že je vyzvednut. Nebo se nosiče rekombinují bez čistého příspěvku k proudu článku.
Kvantová účinnost označuje procento fotonů, které jsou převedeny na elektrický proud (tj. Shromážděné nosiče), když je článek provozován za podmínek zkratu. „Externí“ kvantová účinnost silikonového solárního článku zahrnuje účinek optických ztrát, jako je přenos a odraz.
Zejména je možné přijmout některá opatření ke snížení těchto ztrát. Ztráty odrazem, které mohou představovat až 10% celkové dopadající energie, lze dramaticky snížit pomocí techniky zvané texturizace, metody zachycování světla, která upravuje průměrnou cestu světla.
Kvantová účinnost je nejvíce užitečně vyjádřeno jako spektrální měření (tj. jako funkce fotonové vlnové délky nebo energie). Jelikož jsou některé vlnové délky absorbovány efektivněji než jiné, mohou spektrální měření kvantové účinnosti přinést cenné informace o kvalitě polovodičového objemu a povrchů.Samotná kvantová účinnost není totéž jako celková účinnost přeměny energie, protože nepřenáší informace o zlomku energie přeměněného solárním článkem.
Maximum power pointEdit
Na skle solárních modulů se často hromadí prach – na tomto negativním obrázku je zvýrazněn jako černé tečky – což snižuje množství světla vpouštěného do solárních panelů články
Solární článek může pracovat v širokém rozsahu napětí (V) a proudů (I). Zvýšením odporové zátěže na ozářeném článku nepřetržitě z nuly (zkrat) na velmi vysokou hodnotu (otevřený obvod) lze určit bod maximálního výkonu, bod, který maximalizuje V × I; to znamená zátěž, pro kterou může článek dodat maximální elektrický výkon při této úrovni ozáření. (Výstupní výkon je nulový jak v extrémních zkratech, tak v otevřených obvodech.)
Vysoce kvalitní monokrystalický křemíkový solární článek, při teplotě článku 25 ° C, může produkovat 0,60 V naprázdno (VOC) . Teplota článku při plném slunečním světle, i při teplotě vzduchu 25 ° C, bude pravděpodobně blízká 45 ° C, což sníží napětí naprázdno na 0,55 V na článek. U tohoto typu článku napětí mírně klesá, dokud se nepřiblíží zkratový proud (ISC). Maximální výkon (s teplotou článku 45 ° C) se obvykle vyrábí při 75% až 80% napětí naprázdno (v tomto případě 0,43 V) a 90% zkratového proudu. Tento výstup může představovat až 70% produktu VOC x ISC. Zkratový proud (ISC) z článku je téměř úměrný osvětlení, zatímco napětí naprázdno (VOC) může poklesnout pouze o 10% při 80% poklesu osvětlení. Články nižší kvality mají rychlejší pokles napětí se zvyšujícím se proudem a při 1/2 ISC mohou produkovat pouze 1/2 VOC. Použitelný výkon by tak mohl klesnout ze 70% produktu VOC x ISC na 50% nebo dokonce na pouhých 25%. Prodejci, kteří hodnotí svůj „výkon“ solárních článků pouze jako VOC x ISC, aniž by uváděli křivky zatížení, mohou vážně narušit jejich skutečný výkon.
Maximální bod výkonu fotovoltaiky se mění podle dopadajícího osvětlení. Například hromadění prachu na fotovoltaických panelech snižuje bod maximálního výkonu. U systémů dostatečně velkých na to, aby ospravedlnily další výdaje, sleduje sledovač maximálního výkonu okamžitý výkon nepřetržitým měřením napětí a proudu (a tedy přenosu energie) a pomocí těchto informací dynamicky upravuje zátěž tak, aby byl vždy přenášen maximální výkon , bez ohledu na variace osvětlení.
Fill factorEdit
Dalším definujícím výrazem v celkovém chování solárního článku je faktor plnění (FF). Tento faktor je měřítkem kvality solárního článku. Toto je dostupný výkon v bodě maximálního výkonu (Pm) děleno napětím naprázdno (VOC) a zkratovým proudem (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ krát I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ krát A_ {c} \ krát G} {V_ {OC} \ krát I_ {SC}}}.}
Faktor výplně lze graficky znázornit tažením IV, kde se jedná o poměr různých obdélníkových oblastí.
Faktor výplně je přímo ovlivněn hodnoty řady článků, odpory bočníku a ztráty diod. Zvýšení odporu bočníku (Rsh) a snížení odporu série (Rs) vede k vyššímu faktoru naplnění, což má za následek vyšší účinnost a přináší výstupní výkon článku blíže k teoretickému maximu.
Typické faktory naplnění se pohybují od 50% do 82%. Faktor naplnění pro normální křemíkový PV článek je 80%.