Les facteurs affectant l’efficacité de la conversion énergétique ont été exposés dans un article historique de William Shockley et Hans Queisser en 1961. Voir la limite de Shockley – Queisser pour plus de détails.
Limite d’efficacité thermodynamique et limite de pile infinieEdit
La limite de Shockley – Queisser pour l’efficacité d’une cellule solaire à jonction unique sous la lumière du soleil non concentrée à 273 K. Cette courbe calculée utilise les données réelles du spectre solaire, et par conséquent, la courbe est ondulante à partir des bandes d’absorption IR dans l’atmosphère. Cette limite d’efficacité de ~ 34% peut être dépassée par les cellules solaires multi-jonctions.
Si l’on dispose d’une source de chaleur à la température Ts et d’un dissipateur plus froid à la température Tc, le maximum La valeur théoriquement possible du rapport travail (ou puissance électrique) obtenu sur chaleur fournie est de 1-Tc / Ts, donnée par un moteur thermique Carnot. Si l’on prend 6000 K pour la température du soleil et 300 K pour les conditions ambiantes sur terre, cela revient à 95%. En 1981, Alexis de Vos et Herman Pauwels ont montré que cela est réalisable avec un empilement d’un nombre infini de cellules avec des bandes interdites allant de l’infini (les premières cellules rencontrées par les photons entrants) à zéro, avec une tension dans chaque cellule très proche. à la tension en circuit ouvert, égale à 95% de la bande interdite de cette cellule, et avec un rayonnement de corps noir de 6000 K provenant de toutes les directions. Cependant, l’efficacité de 95% ainsi obtenue signifie que la puissance électrique représente 95% de la quantité nette de lumière absorbée – la cheminée émet un rayonnement car sa température n’est pas nulle, et ce rayonnement doit être soustrait du rayonnement entrant lors du calcul du quantité de chaleur transférée et efficacité. Ils ont également examiné le problème plus pertinent de la maximisation de la puissance de sortie d’une pile éclairée de toutes les directions par un rayonnement de corps noir de 6000 K. Dans ce cas, les tensions doivent être abaissées à moins de 95% de la bande interdite (le pourcentage n’est pas constant sur toutes les cellules). L’efficacité théorique maximale calculée est de 86,8% pour un empilement d’un nombre infini de cellules, en utilisant le rayonnement solaire concentré entrant. Lorsque le rayonnement entrant provient uniquement d’une zone du ciel de la taille du soleil, la limite d’efficacité tombe à 68,7%.
Efficacité ultimeEdit
Les systèmes photovoltaïques normaux n’ont cependant qu’un seul p –N jonction et sont donc soumis à une limite d’efficacité inférieure, appelée «efficacité ultime» par Shockley et Queisser. Les photons dont l’énergie est inférieure à la bande interdite du matériau absorbant ne peuvent pas générer une paire électron-trou, de sorte que leur énergie n’est pas convertie en sortie utile et ne génère de la chaleur que si elle est absorbée. Pour les photons avec une énergie supérieure à l’énergie de la bande interdite, seule une fraction de l’énergie au-dessus de la bande interdite peut être convertie en sortie utile. Lorsqu’un photon de plus grande énergie est absorbé, l’énergie excédentaire au-dessus de la bande interdite est convertie en énergie cinétique de la combinaison de porteurs. L’énergie cinétique excédentaire est convertie en chaleur par des interactions de phonons lorsque l’énergie cinétique des porteurs ralentit jusqu’à la vitesse d’équilibre. Les cellules traditionnelles à jonction unique avec une bande interdite optimale pour le spectre solaire ont une efficacité théorique maximale de 33,16%, la limite Shockley – Queisser.
Les cellules solaires avec des matériaux absorbeurs à bandes interdites multiples améliorent l’efficacité en divisant le solaire spectre dans des bacs plus petits où la limite d’efficacité thermodynamique est plus élevée pour chaque bac.
Efficacité quantiqueEdit
Comme décrit ci-dessus, quand un photon est absorbé par une cellule solaire, il peut produire une paire électron-trou. L’un des porteurs peut atteindre la jonction p – n et contribuer au courant produit par la cellule solaire; un tel support est dit collecté. Ou, les porteurs se recombinent sans contribution nette au courant de la cellule.
L’efficacité quantique fait référence au pourcentage de photons qui sont convertis en courant électrique (c’est-à-dire des porteurs collectés) lorsque la cellule fonctionne dans des conditions de court-circuit. L’efficacité quantique «externe» d’une cellule solaire en silicium inclut l’effet des pertes optiques telles que la transmission et la réflexion.
En particulier, certaines mesures peuvent être prises pour réduire ces pertes. Les pertes de réflexion, qui peuvent représenter jusqu’à 10% de l’énergie incidente totale, peuvent être considérablement diminuées en utilisant une technique appelée texturisation, une méthode de piégeage de la lumière qui modifie le trajet moyen de la lumière.
L’efficacité quantique est la plus exprimée utilement en mesure spectrale (c’est-à-dire en fonction de la longueur d’onde ou de l’énergie du photon). Étant donné que certaines longueurs d’onde sont absorbées plus efficacement que d’autres, les mesures spectrales de l’efficacité quantique peuvent fournir des informations précieuses sur la qualité de la masse et des surfaces des semi-conducteurs.L’efficacité quantique à elle seule n’est pas la même que l’efficacité globale de conversion d’énergie, car elle ne transmet pas d’informations sur la fraction de puissance convertie par la cellule solaire.
Point de puissance maximumEdit
La poussière s’accumule souvent sur le verre des modules solaires – mis en évidence dans cette image négative sous forme de points noirs – ce qui réduit la quantité de lumière admise au solaire cellules
Une cellule solaire peut fonctionner sur une large gamme de tensions (V) et de courants (I). En augmentant la charge résistive sur une cellule irradiée en continu de zéro (un court-circuit) à une valeur très élevée (un circuit ouvert), on peut déterminer le point de puissance maximale, le point qui maximise V × I; c’est-à-dire la charge pour laquelle la cellule peut fournir une puissance électrique maximale à ce niveau d’irradiation. (La puissance de sortie est nulle dans les extrêmes de court-circuit et de circuit ouvert).
Une cellule solaire en silicium monocristallin de haute qualité, à une température de cellule de 25 ° C, peut produire 0,60 V en circuit ouvert (COV) . La température de la cellule en plein soleil, même avec une température de l’air de 25 ° C, sera probablement proche de 45 ° C, réduisant la tension en circuit ouvert à 0,55 V par cellule. La tension chute modestement, avec ce type de cellule, jusqu’à l’approche du courant de court-circuit (ISC). La puissance maximale (avec une température de cellule de 45 ° C) est généralement produite avec 75% à 80% de la tension en circuit ouvert (0,43 V dans ce cas) et 90% du courant de court-circuit. Cette sortie peut représenter jusqu’à 70% du produit VOC x ISC. Le courant de court-circuit (ISC) d’une cellule est presque proportionnel à l’éclairage, tandis que la tension en circuit ouvert (VOC) peut chuter seulement de 10% avec une baisse de 80% de l’éclairage. Les cellules de qualité inférieure ont une chute de tension plus rapide avec l’augmentation du courant et pourraient produire seulement 1/2 COV à 1/2 ISC. La puissance utile utilisable pourrait ainsi chuter de 70% du produit VOC x ISC à 50% ou même aussi peu que 25%. Les vendeurs qui évaluent la « puissance » de leur cellule solaire uniquement comme COV x ISC, sans donner de courbes de charge, peuvent déformer sérieusement leurs performances réelles.
Le point de puissance maximum d’un photovoltaïque varie avec l’éclairage incident. Par exemple, l’accumulation de poussière sur les panneaux photovoltaïques réduit le point de puissance maximum. Pour les systèmes suffisamment grands pour justifier la dépense supplémentaire, un tracker de point de puissance maximale suit la puissance instantanée en mesurant continuellement la tension et le courant (et donc le transfert de puissance), et utilise ces informations pour ajuster dynamiquement la charge afin que la puissance maximale soit toujours transférée. , quelle que soit la variation de l’éclairage.
Facteur de remplissageEdit
Un autre terme définissant le comportement général d’une cellule solaire est le facteur de remplissage (FF). Ce facteur est une mesure de la qualité d’une cellule solaire. Il s’agit de la puissance disponible au point de puissance maximale (Pm) divisée par la tension en circuit ouvert (VOC) et le courant de court-circuit (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} \ times I_ {SC}}}.}
Le facteur de remplissage peut être représenté graphiquement par le balayage IV, où il est le rapport des différentes zones rectangulaires.
Le facteur de remplissage est directement affecté par le valeurs de la série de la cellule, des résistances de shunt et des pertes de diodes. L’augmentation de la résistance de shunt (Rsh) et la diminution de la résistance de la série (Rs) conduisent à un facteur de remplissage plus élevé, entraînant ainsi une plus grande efficacité et apportant la puissance de sortie de la cellule plus proche de son maximum théorique.
Les facteurs de remplissage typiques vont de 50% à 82%. Le facteur de remplissage pour une cellule PV au silicium normale est de 80%.