Energianmuuntotehokkuuteen vaikuttavat tekijät selittivät William Shockley ja Hans Queisser vuonna 1961. Maaliskuussa julkaistussa paperissa kerrotaan tarkemmin Shockley – Queisser-rajasta.
Termodynaaminen hyötysuhderaja ja ääretön pino -rajaEdit
Shockley – Queisser-raja yhden liittymän aurinkokennon tehokkuudelle keskittymättömässä auringonvalossa 273 K: n lämpötilassa. Tämä laskettu käyrä käyttää todellisia aurinkospektritietoja, ja siksi käyrä on heikosti ilmakehän IR-absorptiokaistojen suhteen. Tämä ~ 34%: n hyötysuhdearvo voidaan ylittää monikäyttöisillä aurinkokennoilla.
Jos lämmönlähde on lämpötilassa Ts ja viileämpi jäähdytyselementti lämpötilassa Tc, suurin sallittu teoreettisesti mahdollinen arvo saavutetun työn (tai sähkötehon) suhteeseen syötettyyn lämpöön on 1-Tc / Ts, jonka on antanut Carnot-lämpömoottori. Jos otamme 6000 K auringon lämpötilaan ja 300 K maan olosuhteisiin, tämä on 95%. Vuonna 1981 Alexis de Vos ja Herman Pauwels osoittivat, että tämä on saavutettavissa rajattomalla määrällä soluja, joiden kaistavälit vaihtelevat äärettömyydestä (ensimmäiset saapuvien fotonien kohtaamat solut) nollaan, ja kussakin solussa on jännite hyvin lähellä avoimen piirin jännitteelle, joka on 95% kyseisen kennon kaistavälistä, ja 6000 K: n mustarunkosäteily tulee kaikista suunnista. Tällä tavoin saavutettu 95% hyötysuhde tarkoittaa kuitenkin sitä, että sähköteho on 95% absorboidun valon nettomäärästä – pino lähettää säteilyä, koska sen lämpötila on nollasta poikkeava, ja tämä säteily on vähennettävä tulevasta säteilystä laskettaessa siirrettävän lämmön määrä ja hyötysuhde. He pitivät myös merkityksellisempää ongelmaa maksimoida teho pinolle, joka valaistaan kaikista suunnista 6000 K: n mustarunkosäteilyllä. Tässä tapauksessa jännitteet on laskettava alle 95 prosenttiin kaistavälistä (prosenttiosuus ei ole vakio kaikissa kennoissa). Suurin laskettu teoreettinen hyötysuhde on 86,8% äärettömän määrän soluja varten käyttäen tulevaa väkevää auringonvalosäteilyä. Kun tuleva säteily tulee vain taivaan alueelta, jonka koko on aurinko, hyötysuhdearvo laskee 68,7 prosenttiin.
Lopullinen hyötysuhdeMuokkaa
Normaaleissa aurinkosähköjärjestelmissä on kuitenkin vain yksi p –Risteyksessä ja niihin sovelletaan siten alempaa hyötysuhdetta, jota Shockley ja Queisser kutsuvat ”lopulliseksi hyötysuhteeksi”. Fotonit, joiden energia on absorboivan materiaalin kaistavälin alapuolella, eivät voi tuottaa elektronireikäparia, joten niiden energiaa ei muuteta hyödylliseksi tuotokseksi ja ne tuottavat lämpöä vain absorboituneena. Fotoneille, joiden energia on kaistavälien energian yläpuolella, vain murto-osa kaistavälin yläpuolella olevasta energiasta voidaan muuntaa hyödylliseksi tuotokseksi. Kun absorboidaan suuremman energian fotoni, kaistavälin yläpuolella oleva ylimääräinen energia muunnetaan kantajayhdistelmän kineettiseksi energiaksi. Liiallinen kineettinen energia muuttuu lämmöksi fononivuorovaikutusten kautta, kun kantajien kineettinen energia hidastuu tasapainonopeuteen. Perinteisten yksirivisten kennojen optimaalinen kaistaväli aurinkospektrille on teoreettisesti suurin hyötysuhde 33,16%, Shockley – Queisser-raja.
Aurinkokennot, joissa on useita kaistavahinkoja, parantavat tehokkuutta jakamalla aurinkokennot spektri pienempiin säiliöihin, joissa termodynaaminen hyötysuhdaraja on korkeampi jokaiselle alustalle.
KvanttitehokkuusMuokkaa
Kuten edellä on kuvattu, fotoni absorboi aurinkokenno, se voi tuottaa elektronireikäparin. Yksi kantajista voi saavuttaa p – n-risteyksen ja vaikuttaa aurinkokennon tuottamaan virtaan; tällaisen kantajan sanotaan kerääntyneen. Tai kantajat rekombinoituvat ilman nettopanosta soluvirtaan.
Kvanttitehokkuus viittaa fotonien prosenttiosuuteen, jotka muunnetaan sähkövirraksi (ts. Kerätyt kantajat), kun solua käytetään oikosulkuolosuhteissa. Piin aurinkokennon ”ulkoinen” kvanttihyötysuhde sisältää optisten häviöiden, kuten lähetyksen ja heijastuksen, vaikutuksen.
Erityisesti joitain toimenpiteitä voidaan toteuttaa näiden häviöiden vähentämiseksi. Heijastushäviöitä, jotka voivat olla jopa 10% kokonaistuloista, voidaan vähentää dramaattisesti käyttämällä tekniikkaa, jota kutsutaan tekstuuriksi, valonerotusmenetelmäksi, joka muuttaa keskimääräistä valopolkua.
Kvanttihyötysuhde on suurin ilmaistaan hyödyllisesti spektrimittauksena (eli fotonin aallonpituuden tai energian funktiona). Koska jotkut aallonpituudet absorboidaan tehokkaammin kuin toiset, kvanttitehokkuuden spektrimittaukset voivat tuottaa arvokasta tietoa puolijohdemassan ja pintojen laadusta.Kvanttitehokkuus yksinään ei ole sama kuin energian muuntamisen kokonaishyötysuhde, koska se ei välitä tietoa aurinkokennon muuntamasta tehon osuudesta.
Suurin teho pointEdit
Pöly kertyy usein aurinkomoduulien lasille – joka on korostettu tässä negatiivisessa kuvassa mustina pisteinä – mikä vähentää aurinkoon tulevan valon määrää kennot
Aurinkokenno voi toimia laajalla jännitealueella (V) ja virralla (I). Lisäämällä säteilytetyn kennon resistiivistä kuormitusta jatkuvasti nollasta (oikosulku) erittäin suureksi (avoin piiri) voidaan määrittää maksimitehopiste, piste, joka maksimoi V × I; toisin sanoen kuormitus, jolle kenno voi tuottaa suurimman sähkötehon tällä säteilytustasolla. (Lähtöteho on nolla sekä oikosulku- että avoimen piirin ääripäissä).
Laadukas, yksikiteinen pii-aurinkokenno, 25 ° C: n kennon lämpötilassa, voi tuottaa 0,60 V: n avoimen piirin (VOC) . Kennon lämpötila täydessä auringonvalossa, jopa ilman lämpötilan ollessa 25 ° C, tulee todennäköisesti olemaan lähellä 45 ° C, jolloin avoimen piirin jännite pienenee 0,55 V: iin solua kohden. Jännite laskee vaatimattomasti tämän tyyppisissä kennoissa, kunnes oikosulkuvirta lähestyy (ISC). Suurin teho (45 ° C: n kennolämpötilassa) tuotetaan tyypillisesti 75-80%: lla avoimen piirin jännitteestä (tässä tapauksessa 0,43 V) ja 90%: lla oikosulkuvirrasta. Tämä tuotos voi olla jopa 70% VOC x ISC -tuotteesta. Solun oikosulkuvirta (ISC) on melkein verrannollinen valaistukseen, kun taas avoimen piirin jännite (VOC) voi pudota vain 10%, kun valaistus laskee 80%. Huonolaatuisemmilla kennoilla jännite laskee nopeammin nousevalla virralla ja ne voivat tuottaa vain 1/2 VOC: tä 1/2 ISC: llä. Käyttökelpoinen teho voi siten pudota 70 prosentista VOC x ISC -tuotteesta 50 prosenttiin tai jopa vain 25 prosenttiin. Toimittajat, jotka arvioivat aurinkokennonsa ”tehoksi” vain VOC x ISC: ksi, antamatta kuormituskäyriä, voivat vääristää vakavasti heidän todellista suorituskykyään.
Aurinkosähkön maksimitehopiste vaihtelee valaistuksen mukaan. Esimerkiksi pölyn kertyminen aurinkosähköpaneeleihin vähentää enimmäistehopistettä. Riittävän suurille järjestelmille lisäkustannusten maksimoimiseksi maksimitehopisteen seuranta seuraa hetkellistä tehoa mittaamalla jatkuvasti jännitettä ja virtaa (ja siten tehonsiirtoa), ja käyttää näitä tietoja kuorman dynaamiseen säätämiseen niin, että suurin teho siirtyy aina , riippumatta valaistuksen vaihtelusta.
TäyttökerroinEdit
Toinen määrittelevä termi aurinkokennon yleisessä käyttäytymisessä on täyttökerroin (FF). Tämä tekijä mittaa aurinkokennon laatua. Tämä on käytettävissä oleva teho suurimmalla tehopisteellä (Pm) jaettuna avoimen piirin jännitteellä (VOC) ja oikosulkuvirralla (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ kertaa I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ kertaa A_ {c} \ kertaa G} {V_ {OC} \ kertaa I_ {SC}}}.}
Täyttökerroin voidaan esittää graafisesti IV-pyyhkäisyllä, jossa se on eri suorakulmaisten alueiden suhde.
Täyttöaste vaikuttaa suoraan kennon sarjan arvot, shuntivastukset ja diodihäviöt. Shunt-vastuksen (Rsh) lisääminen ja sarjan resistanssin (Rs) pienentäminen johtavat korkeampaan täyttökertoimeen, mikä johtaa suurempaan hyötysuhteeseen ja tuo kennon lähtötehon lähempänä sen teoreettista maksimia.
Tyypilliset täyttökertoimet vaihtelevat välillä 50% – 82%. Normaalin pii-PV-kennon täyttökerroin on 80%.