Los factores que afectan la eficiencia de conversión de energía fueron expuestos en un artículo histórico por William Shockley y Hans Queisser en 1961. Consulte el límite de Shockley-Queisser para obtener más detalles.
Límite de eficiencia termodinámica y límite de pila infinitaEditar
El límite de Shockley-Queisser para la eficiencia de una celda solar de unión única bajo luz solar no concentrada a 273 K. Esta curva calculada usa datos reales del espectro solar y, por lo tanto, la curva es ondulada a partir de las bandas de absorción de infrarrojos en la atmósfera. Este límite de eficiencia de ~ 34% puede ser superado por células solares multifuncionales.
Si uno tiene una fuente de calor a la temperatura Ts y un disipador de calor más frío a la temperatura Tc, el máximo El valor teóricamente posible de la relación entre el trabajo (o la potencia eléctrica) obtenido y el calor suministrado es 1-Tc / Ts, dado por un motor térmico de Carnot. Si tomamos 6000 K para la temperatura del sol y 300 K para las condiciones ambientales en la tierra, esto llega al 95%. En 1981, Alexis de Vos y Herman Pauwels demostraron que esto se puede lograr con una pila de un número infinito de células con espacios de banda que van desde el infinito (las primeras células encontradas por los fotones entrantes) hasta cero, con un voltaje en cada célula muy cercano. al voltaje de circuito abierto, igual al 95% de la banda prohibida de esa celda, y con radiación de cuerpo negro de 6000 K proveniente de todas las direcciones. Sin embargo, la eficiencia del 95% así lograda significa que la energía eléctrica es el 95% de la cantidad neta de luz absorbida: la chimenea emite radiación porque tiene una temperatura distinta de cero, y esta radiación debe restarse de la radiación entrante al calcular la cantidad de calor que se transfiere y la eficiencia. También consideraron el problema más relevante de maximizar la potencia de salida de una pila iluminada desde todas las direcciones por radiación de cuerpo negro de 6000 K. En este caso, los voltajes deben reducirse a menos del 95% del intervalo de banda (el porcentaje no es constante en todas las celdas). La eficiencia teórica máxima calculada es del 86,8% para una pila de un número infinito de celdas, utilizando la radiación solar concentrada entrante. Cuando la radiación entrante proviene solo de un área del cielo del tamaño del sol, el límite de eficiencia cae al 68.7%.
Eficiencia máximaEditar
Sin embargo, los sistemas fotovoltaicos normales solo tienen una p –N cruce y, por lo tanto, están sujetos a un límite de eficiencia más bajo, llamado «eficiencia máxima» por Shockley y Queisser. Los fotones con una energía por debajo de la banda prohibida del material absorbente no pueden generar un par electrón-agujero, por lo que su energía no se convierte en salida útil y solo genera calor si se absorbe. Para los fotones con una energía por encima de la energía de la banda prohibida, solo una fracción de la energía por encima de la banda prohibida se puede convertir en salida útil. Cuando se absorbe un fotón de mayor energía, el exceso de energía por encima de la banda prohibida se convierte en energía cinética de la combinación de portadores. El exceso de energía cinética se convierte en calor a través de interacciones fonónicas a medida que la energía cinética de los portadores disminuye hasta alcanzar la velocidad de equilibrio. Las células tradicionales de unión simple con un intervalo de banda óptimo para el espectro solar tienen una eficiencia teórica máxima del 33,16%, el límite de Shockley-Queisser.
Las células solares con materiales absorbentes de intervalo de banda múltiple mejoran la eficiencia al dividir la energía solar. espectro en contenedores más pequeños donde el límite de eficiencia termodinámica es mayor para cada contenedor.
Eficiencia cuánticaEditar
Como se describió anteriormente, cuando un fotón es absorbido por una célula solar, puede producir un par de electrones y huecos. Uno de los portadores puede alcanzar la unión p – n y contribuir a la corriente producida por la célula solar; se dice que se recoge dicho transportista. O los portadores se recombinan sin una contribución neta a la corriente de la celda.
La eficiencia cuántica se refiere al porcentaje de fotones que se convierten en corriente eléctrica (es decir, portadores recolectados) cuando la celda funciona en condiciones de cortocircuito. La eficiencia cuántica «externa» de una célula solar de silicio incluye el efecto de pérdidas ópticas como la transmisión y la reflexión.
En particular, se pueden tomar algunas medidas para reducir estas pérdidas. Las pérdidas por reflexión, que pueden representar hasta el 10% de la energía incidente total, se pueden reducir drásticamente utilizando una técnica llamada texturización, un método de captura de luz que modifica la trayectoria de luz promedio.
La eficiencia cuántica es más expresado de forma útil como una medida espectral (es decir, en función de la longitud de onda o energía del fotón). Dado que algunas longitudes de onda se absorben con mayor eficacia que otras, las mediciones espectrales de la eficiencia cuántica pueden proporcionar información valiosa sobre la calidad del volumen y las superficies del semiconductor.La eficiencia cuántica por sí sola no es lo mismo que la eficiencia general de conversión de energía, ya que no transmite información sobre la fracción de energía que convierte la célula solar.
Punto de máxima potenciaEditar
El polvo a menudo se acumula en el vidrio de los módulos solares, resaltado en esta imagen negativa como puntos negros, lo que reduce la cantidad de luz admitida en el celdas
Una celda solar puede operar en un amplio rango de voltajes (V) y corrientes (I). Al aumentar la carga resistiva en una celda irradiada continuamente desde cero (un cortocircuito) a un valor muy alto (un circuito abierto), se puede determinar el punto de máxima potencia, el punto que maximiza V × I; es decir, la carga para la cual la celda puede entregar la máxima potencia eléctrica a ese nivel de irradiación. (La potencia de salida es cero en los extremos de cortocircuito y circuito abierto).
Una celda solar de silicio monocristalino de alta calidad, a una temperatura de celda de 25 ° C, puede producir 0.60 V de circuito abierto (VOC) . La temperatura de la celda a plena luz del sol, incluso con una temperatura del aire de 25 ° C, probablemente estará cerca de los 45 ° C, lo que reducirá el voltaje de circuito abierto a 0,55 V por celda. El voltaje cae modestamente, con este tipo de celda, hasta que se acerca la corriente de cortocircuito (ISC). La potencia máxima (con una temperatura de celda de 45 ° C) se produce típicamente con 75% a 80% del voltaje de circuito abierto (0.43 V en este caso) y 90% de la corriente de cortocircuito. Esta salida puede ser hasta el 70% del producto VOC x ISC. La corriente de cortocircuito (ISC) de una celda es casi proporcional a la iluminación, mientras que el voltaje de circuito abierto (VOC) puede caer solo un 10% con una caída del 80% en la iluminación. Las celdas de menor calidad tienen una caída de voltaje más rápida al aumentar la corriente y podrían producir solo 1/2 VOC a 1/2 ISC. Por tanto, la producción de energía utilizable podría caer del 70% del producto VOC x ISC al 50% o incluso tan solo al 25%. Los proveedores que clasifican la «potencia» de sus células solares solo como VOC x ISC, sin dar curvas de carga, pueden estar distorsionando seriamente su rendimiento real.
El punto de máxima potencia de una fotovoltaica varía con la iluminación incidente. Por ejemplo, la acumulación de polvo en los paneles fotovoltaicos reduce el punto de máxima potencia. Para sistemas lo suficientemente grandes como para justificar el gasto adicional, un rastreador de punto de máxima potencia rastrea la potencia instantánea midiendo continuamente el voltaje y la corriente (y, por lo tanto, la transferencia de potencia), y usa esta información para ajustar dinámicamente la carga para que la potencia máxima siempre se transfiera. , independientemente de la variación en la iluminación.
Factor de rellenoEditar
Otro término que define el comportamiento general de una célula solar es el factor de relleno (FF). Este factor es una medida de la calidad de una celda solar. Esta es la potencia disponible en el punto de máxima potencia (Pm) dividida por la tensión de circuito abierto (VOC) y la corriente de cortocircuito (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} \ veces I_ {SC}}}.}
El factor de relleno se puede representar gráficamente por el barrido IV, donde es la proporción de las diferentes áreas rectangulares.
El factor de relleno se ve afectado directamente por el valores de la serie de la celda, resistencias en derivación y pérdidas de diodos. El aumento de la resistencia en derivación (Rsh) y la disminución de la resistencia en serie (Rs) conduce a un factor de llenado más alto, lo que resulta en una mayor eficiencia y aumenta la potencia de salida de la celda más cerca de su máximo teórico.
Los factores de llenado típicos oscilan entre el 50% y el 82%. El factor de llenado para una celda fotovoltaica de silicio normal es del 80%.