Faktorerne, der påvirker effektiviteten af energiomdannelse, blev beskrevet i et milepælspapir af William Shockley og Hans Queisser i 1961. Se Shockley – Queisser-grænsen for flere detaljer.
Termodynamisk effektivitetsgrænse og uendelig stakgrænse Rediger
Shockley – Queisser-grænsen for effektiviteten af en enkeltkryds solcelle under ukoncentreret sollys ved 273 K. Denne beregnede kurve bruger faktiske solspektrumdata, og derfor er kurven svirrende fra IR-absorptionsbånd i atmosfæren. Denne effektivitetsgrænse på ~ 34% kan overskrides af solceller med flere forbindelser.
Hvis man har en varmekilde ved temperaturen Ts og køligere køleplade ved temperaturen Tc, er den maksimale teoretisk mulig værdi for forholdet mellem arbejde (eller elektrisk kraft) opnået og leveret varme er 1-Tc / Ts, givet af en Carnot-varmemotor. Hvis vi tager 6000 K for soltemperaturen og 300 K for omgivende forhold på jorden, kommer dette til 95%. I 1981 viste Alexis de Vos og Herman Pauwels, at dette kan opnås med en stak med et uendeligt antal celler med båndhuller, der spænder fra uendelig (de første celler, som de indgående fotoner støder på) til nul, med en spænding i hver celle meget tæt til den åbne kredsløbsspænding svarende til 95% af båndgabet for den celle og med 6000 K sortkropsstråling, der kommer fra alle retninger. Den derved opnåede 95% effektivitet betyder dog, at den elektriske effekt er 95% af den absorberede nettomængde lys – stakken udsender stråling, da den ikke har nul temperatur, og denne stråling skal trækkes fra den indkommende stråling, når man beregner mængden af varme, der overføres, og effektiviteten. De overvejede også det mere relevante problem med at maksimere effektoutput for en stak, der belyses fra alle retninger med 6000 K sortkropsstråling. I dette tilfælde skal spændingerne sænkes til mindre end 95% af båndgabet (procentdelen er ikke konstant over alle cellerne). Den maksimale teoretiske effektivitet beregnet er 86,8% for en stak med et uendeligt antal celler ved hjælp af den indgående koncentrerede solstråling. Når den indkommende stråling kun kommer fra et område af himlen på størrelse med solen, falder effektivitetsgrænsen til 68,7%.
Ultimate efficiencyEdit
Normale solcelleanlæg har dog kun en p –N kryds og er derfor underlagt en lavere effektivitetsgrænse, kaldet “ultimativ effektivitet” af Shockley og Queisser. Fotoner med en energi under absorberingsmaterialets båndgab kan ikke generere et elektronhullepar, så deres energi konverteres ikke til nyttigt output og genererer kun varme, hvis det absorberes. For fotoner med en energi over båndgapsenergien kan kun en brøkdel af energien over båndgabet konverteres til nyttigt output. Når en foton med større energi absorberes, konverteres den overskydende energi over båndgabet til kinetisk energi i bærerkombinationen. Den overskydende kinetiske energi omdannes til varme gennem fononinteraktioner, da bærerens kinetiske energi sænkes til ligevægtshastighed. Traditionelle enkeltkrydsningsceller med et optimalt båndgab til solspektret har en maksimal teoretisk effektivitet på 33,16%, Shockley – Queisser-grænsen.
Solceller med flere båndgababsorberende materialer forbedrer effektiviteten ved at dividere solcellerne spektrum i mindre kasser, hvor den termodynamiske effektivitetsgrænse er højere for hver kasse.
Quantum efficiencyEdit
Som beskrevet ovenfor, når en foton absorberes af en solcelle, kan den producere et elektronhulspar. En af transportørerne kan nå p-n-krydset og bidrage til strømmen produceret af solcellen; sådan en transportør siges at være indsamlet. Eller bærerne rekombinerer uden nettobidrag til cellestrøm.
Kvanteffektivitet refererer til procentdelen af fotoner, der konverteres til elektrisk strøm (dvs. opsamlede bærere), når cellen betjenes under kortslutningsforhold. Den “eksterne” kvanteeffektivitet af en silicium-solcelle inkluderer effekten af optiske tab som transmission og refleksion.
Især kan der træffes nogle foranstaltninger for at reducere disse tab. Reflektionstabene, som kan tegne sig for op til 10% af den samlede hændelsesenergi, kan reduceres dramatisk ved hjælp af en teknik kaldet teksturisering, en lysfangstmetode, der ændrer den gennemsnitlige lysvej.
Kvanteffektivitet er mest nyttigt udtrykt som en spektral måling (det vil sige som en funktion af fotonbølgelængde eller energi). Da nogle bølgelængder absorberes mere effektivt end andre, kan spektrale målinger af kvanteeffektivitet give værdifuld information om kvaliteten af halvlederens bulk og overflader.Kvanteeffektivitet alene er ikke den samme som den samlede energiomdannelseseffektivitet, da den ikke formidler information om den brøkdel af kraft, der omdannes af solcellen.
Maksimum effektpunkt Rediger
Støv akkumuleres ofte på glasset af solmoduler – fremhævet i dette negative billede som sorte prikker – hvilket reducerer mængden af lys, der optages i solenergi celler
En solcelle kan virke over en bred vifte af spændinger (V) og strømme (I). Ved at øge den resistive belastning på en bestrålet celle kontinuerligt fra nul (en kortslutning) til en meget høj værdi (et åbent kredsløb) kan man bestemme det maksimale effektpunkt, det punkt, der maksimerer V × I; det vil sige den belastning, som cellen kan levere maksimal elektrisk effekt til ved dette bestrålingsniveau. (Udgangseffekten er nul i både kortslutning og ekstreme kredsløb).
En monokrystallinsk silicium-solcelle af høj kvalitet ved 25 ° C celletemperatur kan producere 0,60 V open-circuit (VOC) . Celltemperaturen i fuldt sollys, selv med 25 ° C lufttemperatur, vil sandsynligvis være tæt på 45 ° C, hvilket reducerer spændingen til åbent kredsløb til 0,55 V pr. Celle. Spændingen falder beskedent med denne celletype, indtil kortslutningsstrømmen nærmer sig (ISC). Maksimal effekt (med 45 ° C celletemperatur) produceres typisk med 75% til 80% af det åbne kredsløb (0,43 V i dette tilfælde) og 90% af kortslutningsstrømmen. Denne output kan være op til 70% af VOC x ISC-produktet. Kortslutningsstrømmen (ISC) fra en celle er næsten proportional med belysningen, mens den åbne kredsløbsspænding (VOC) kun kan falde 10% med et 80% fald i belysningen. Celler af lavere kvalitet har et hurtigere fald i spænding med stigende strøm og kunne kun producere 1/2 VOC ved 1/2 ISC. Den anvendelige effekt kan således falde fra 70% af VOC x ISC-produktet til 50% eller endda så lidt som 25%. Leverandører, der kun bedømmer deres solcelle “magt” som VOC x ISC uden at give belastningskurver, kan forvride deres faktiske ydeevne alvorligt.
Det maksimale effektpunkt for solceller varierer med indfaldende belysning. For eksempel reducerer ophobning af støv på solcelleanlæg det maksimale effektpunkt. For systemer, der er store nok til at retfærdiggøre den ekstra udgift, sporer en maksimal power point tracker den øjeblikkelige effekt ved løbende at måle spænding og strøm (og dermed effektoverførsel) og bruger denne information til dynamisk at justere belastningen, så den maksimale effekt altid overføres uanset variationen i belysning.
Fill factorEdit
Et andet definerende udtryk i en solcelles samlede opførsel er fyldningsfaktoren (FF). Denne faktor er et mål for kvaliteten af en solcelle. Dette er den tilgængelige effekt ved det maksimale effektpunkt (Pm) divideret med åben kredsløbsspænding (VOC) og kortslutningsstrøm (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ times I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ times A_ {c} \ times G} {V_ {OC} \ gange I_ {SC}}}.}
Fyldningsfaktoren kan repræsenteres grafisk ved IV-fejningen, hvor det er forholdet mellem de forskellige rektangulære områder.
Fyldningsfaktoren påvirkes direkte af værdier for cellens serie, shuntmodstand og diodetab. Forøgelse af shuntmodstand (Rsh) og fald af seriemodstand (Rs) fører til en højere fyldningsfaktor, hvilket resulterer i større effektivitet og bringer cellens udgangseffekt tættere på det teoretiske maksimum.
Typiske fyldningsfaktorer varierer fra 50% til 82%. Fyldningsfaktoren for en normal silicium-PV-celle er 80%.