Az energiaátalakítás hatékonyságát befolyásoló tényezőket William Shockley és Hans Queisser 1961-ben egy mérföldkőnek számító cikkben fejtette ki. További részletekért lásd: Shockley – Queisser határérték.
Termodinamikai hatékonysági határ és végtelen veremhatárEdit
Shockley – Queisser határértéke az egycsatlakozású napelem hatékonyságának koncentrálatlan napfény alatt, 273 K hőmérsékleten. Ez a számított görbe a tényleges napspektrum-adatokat használja, és ezért a görbe hullámosan áll a légkör IR-abszorpciós sávjaitól. Ezt a ~ 34% -os hatékonysági határt a többfunkciós napelemek is túlléphetik.
Ha a TS hőmérsékleten van egy hőforrás, a Tc hőmérsékleten pedig a hűvösebb hőelnyelő, elméletileg lehetséges értéke az elért munka (vagy elektromos teljesítmény) és a hőmennyiség arányának 1-Tc / Ts, amelyet egy Carnot hőmotor adott meg. Ha a nap hőmérsékletére 6000 K-ot, a földi környezeti viszonyokra pedig 300 K-t veszünk, ez 95% -ot jelent. 1981-ben Alexis de Vos és Herman Pauwels kimutatták, hogy ez végtelen számú sejtköteggel érhető el, amelynek sávrései a végtelenségtől (az első sejtek, amelyekbe a bejövő fotonok találkoznak) a nulláig, az egyes cellák feszültségével nagyon közel a nyitott áramkör feszültségéhez, amely megegyezik az adott cella sávrésének 95% -ával, és 6000 K fekete test sugárzással minden irányból. Az így elért 95% -os hatékonyság azonban azt jelenti, hogy az elektromos teljesítmény az elnyelt fény nettó mennyiségének 95% -a – a verem sugárzást bocsát ki, mivel hőmérséklete nem nulla, és ezt a sugárzást le kell vonni a bejövő sugárzásból a az átadott hő mennyisége és a hatékonyság. Megfontolták azt a relevánsabb problémát is, hogy maximalizálják a minden irányból 6000 K fekete test sugárzással megvilágított verem teljesítményét. Ebben az esetben a feszültségeket a sávrés kevesebb mint 95% -ára kell csökkenteni (a százalék nem állandó az összes cellánál). A számított maximális elméleti hatékonyság 86,8% egy végtelen számú sejtkötegre, a bejövő koncentrált napsugárzás felhasználásával. Ha a bejövő sugárzás csak az ég olyan területéről származik, amely akkora, mint a nap, akkor a hatékonysági határ 68,7% -ra csökken.
Végső hatékonyságEdit
A normál fotovoltaikus rendszereknek azonban csak egy p –Csomópontban, ezért alacsonyabb hatékonysági határérték alá esnek, amelyet Shockley és Queisser „végső hatékonyságnak” nevez. A fotonok, amelyek energiája az abszorber anyag sávrése alatt van, nem képesek létrehozni egy elektron-furat párot, így energiájuk nem alakul át hasznos kimenetre, és csak akkor termel hőt, ha abszorbeálódik. Azoknál a fotonoknál, amelyek energiája meghaladja a sávrés energiáját, csak a sávrés feletti energia töredéke alakítható hasznos kimenetre. Ha egy nagyobb energiájú foton elnyelődik, akkor a sávrés feletti energiafelesleg a hordozó kombináció kinetikus energiájává alakul. A felesleges kinetikus energia fonon kölcsönhatások révén hővé alakul át, mivel a hordozók kinetikus energiája lassul az egyensúlyi sebességre. A hagyományos egycsatlakozású cellák optimális sávszélességével a napsugár spektruma maximális elméleti hatásfoka 33,16%, a Shockley – Queisser határ.
A több sávos rést elnyelő anyagú napelemek javítják a hatékonyságot a napelem felosztásával. spektrum kisebb tárolókba, ahol a termodinamikai hatékonysági határ magasabb az egyes tartályoknál.
KvantumhatékonyságEdit
A fent leírtak szerint, amikor egy foton abszorbeálja egy napelem, ez elektron-lyuk párot képes előállítani. Az egyik vivő elérheti a p – n elágazást, és hozzájárulhat a napelem által termelt áramhoz; állítólag egy ilyen hordozót gyűjtöttek össze. Vagy a hordozók rekombinálódnak, és nem járulnak hozzá a sejtáramhoz. A szilícium napelem „külső” kvantumhatékonysága magában foglalja az optikai veszteségek, például az átvitel és a visszaverődés hatását.
Különösen néhány intézkedést lehet tenni ezen veszteségek csökkentésére. A visszaverődési veszteségek, amelyek a teljes beeső energia akár 10% -át is elérhetik, drámai módon csökkenthetők az úgynevezett texturizálási technikával, egy könnyű csapdázási módszerrel, amely módosítja az átlagos fényutat.
A kvantumhatékonyság a legnagyobb hasznosan kifejezve spektrális mérésként (vagyis a foton hullámhosszának vagy energiájának függvényében). Mivel egyes hullámhosszak hatékonyabban szívódnak fel, mint mások, a kvantumhatékonyság spektrális mérése értékes információkat nyújthat a félvezető térfogatának és felületeinek minőségéről.A kvantumhatékonyság önmagában nem azonos a teljes energiaátalakítási hatékonysággal, mivel nem közvetít információt a napelem által átalakított teljesítmény töredékéről.
Maximális teljesítménypontEdit
A napmodulok üvegén – amely ebben a negatív képben fekete pontokként van kiemelve – gyakran gyűlik a por, ami csökkenti a szolárba beengedett fény mennyiségét cellák
A napelemek feszültségek (V) és áramok (I) széles tartományában működhetnek. A besugárzott cellák rezisztív terhelésének folyamatos növelésével nulláról (rövidzárlat) nagyon magas értékre (nyitott áramkör) meghatározható a maximális teljesítménypont, az a pont, amely maximalizálja a V × I értéket; vagyis az a terhelés, amelyre a cella maximális elektromos teljesítményt képes leadni a besugárzás ezen szintjén. (A kimenő teljesítmény nulla mind a rövidzárlatban, mind a nyitott áramkörben).
Kiváló minőségű, monokristályos szilícium napelem, 25 ° C-os hőmérsékleten, 0,60 V nyitott áramkört (VOC) eredményezhet. . A cella hőmérséklete teljes napfényben, még 25 ° C-os léghőmérséklet mellett is, valószínűleg megközelíti a 45 ° C-ot, így a nyitott áramkör feszültsége cellánként 0,55 V-ra csökken. A feszültség ilyen típusú cellákkal mérsékelten csökken, amíg a rövidzárlati áramot (ISC) meg nem közelítik. A maximális teljesítmény (45 ° C-os cellahőmérséklet mellett) jellemzően a nyitott áramkör feszültségének 75-80% -a (ebben az esetben 0,43 V) és a rövidzárlati áram 90% -a. Ez a kimenet elérheti a VOC x ISC termék 70% -át. A cellából érkező rövidzárlati áram (ISC) majdnem arányos a megvilágítással, míg a nyitott áramú feszültség (VOC) csak 10% -ot eshet 80% -os megvilágítás-csökkenéssel. Az alacsonyabb minőségű cellák gyorsabb feszültségcsökkenéssel járnak, növekvő árammal, és 1/2 ISC-nél csak 1/2 VOC-ot képesek előállítani. A hasznos teljesítmény tehát a VOC x ISC termék 70% -áról 50% -ra, vagy akár 25% -ra is csökkenhet. Azok a szállítók, akik a napelem “teljesítményét” csak VOC x ISC-ként értékelik, terhelési görbék megadása nélkül, komolyan torzíthatják tényleges teljesítményüket. Például a por felhalmozódása a fotovoltaikus paneleken csökkenti a maximális teljesítménypontot. Elég nagy rendszerek esetén, amelyek igazolják a többletköltségeket, a maximális teljesítménypont-követő nyomon követi a pillanatnyi teljesítményt a feszültség és az áram (és ezáltal az energiaátadás) folyamatos mérésével, és ezen információk alapján dinamikusan állítja be a terhelést, így a maximális teljesítmény mindig átkerül , függetlenül a megvilágítás variációitól.
Fill factorEdit
A napelem általános viselkedésének másik meghatározó fogalma a kitöltési tényező (FF). Ez a tényező a napelem minőségének mérőszáma. Ez a maximális teljesítményponton (Pm) rendelkezésre álló teljesítmény osztva a nyitott áramkör feszültségével (VOC) és a rövidzárlati árammal (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ szor I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ szor A_ {c} \ szor G} {V_ {OC} \ idők I_ {SC}}}.}
A kitöltési tényező grafikusan ábrázolható az IV sepréssel, ahol ez a különböző téglalap alakú területek aránya.
A kitöltési tényezőt közvetlenül befolyásolja a cella sorozatának értékei, a sönt ellenállások és a diódák veszteségei. A sönt ellenállás (Rsh) növelése és a soros ellenállás (Rs) csökkentése magasabb kitöltési tényezőhöz vezet, ami nagyobb hatékonyságot eredményez, és a cella kimeneti teljesítményét hozza közelebb az elméleti maximumhoz.
A tipikus kitöltési tényezők 50% és 82% között mozognak. A normál szilícium-PV cellák kitöltési tényezője 80%.