I fattori che influenzano l’efficienza di conversione energetica sono stati illustrati in un documento fondamentale di William Shockley e Hans Queisser nel 1961. Vedere il limite di Shockley – Queisser per maggiori dettagli.
Limite di efficienza termodinamica e limite di stack infinitoModifica
Il limite di Shockley-Queisser per l’efficienza di una cella solare a giunzione singola sotto la luce solare non concentrata a 273 K. Questa curva calcolata utilizza i dati effettivi dello spettro solare, e quindi la curva è sinuosa dalle bande di assorbimento IR nell’atmosfera. Questo limite di efficienza di ~ 34% può essere superato dalle celle solari multigiunzione.
Se si ha una fonte di calore alla temperatura Ts e un dissipatore di calore più freddo alla temperatura Tc, il massimo valore teoricamente possibile per il rapporto tra lavoro (o potenza elettrica) ottenuto e calore fornito è 1-Tc / Ts, dato da un motore termico di Carnot. Se prendiamo 6000 K per la temperatura del sole e 300 K per le condizioni ambientali sulla terra, questo arriva al 95%. Nel 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels hanno dimostrato che ciò è realizzabile con uno stack di un numero infinito di celle con band gap che vanno da infinito (le prime celle incontrate dai fotoni in arrivo) a zero, con una tensione in ogni cella molto vicina alla tensione a circuito aperto, pari al 95% del band gap di quella cella, e con 6000 K di radiazione di corpo nero proveniente da tutte le direzioni. Tuttavia, l’efficienza del 95% così ottenuta significa che la potenza elettrica è il 95% della quantità netta di luce assorbita: il camino emette radiazioni poiché ha una temperatura diversa da zero, e questa radiazione deve essere sottratta dalla radiazione in ingresso quando si calcola la quantità di calore trasferita e rendimento. Hanno anche considerato il problema più rilevante di massimizzare la potenza in uscita per una pila illuminata da tutte le direzioni dalla radiazione di un corpo nero di 6000 K. In questo caso, le tensioni devono essere abbassate a meno del 95% del band gap (la percentuale non è costante su tutte le celle). L’efficienza teorica massima calcolata è dell’86,8% per una pila di un numero infinito di celle, utilizzando la radiazione solare concentrata in entrata. Quando la radiazione in entrata proviene solo da un’area del cielo delle dimensioni del sole, il limite di efficienza scende al 68,7%.
Massima efficienzaModifica
I normali sistemi fotovoltaici hanno però solo un p -N giunzione e sono quindi soggetti a un limite di efficienza inferiore, chiamato “efficienza massima” da Shockley e Queisser. I fotoni con un’energia al di sotto del band gap del materiale assorbitore non possono generare una coppia elettrone-lacuna, quindi la loro energia non viene convertita in output utile e genera calore solo se assorbita. Per i fotoni con un’energia superiore all’energia del band gap, solo una frazione dell’energia al di sopra del band gap può essere convertita in output utile. Quando un fotone di energia maggiore viene assorbito, l’energia in eccesso al di sopra del band gap viene convertita in energia cinetica della combinazione di portatori. L’energia cinetica in eccesso viene convertita in calore attraverso le interazioni fononiche mentre l’energia cinetica dei portatori rallenta fino alla velocità di equilibrio. Le tradizionali celle a giunzione singola con un intervallo di banda ottimale per lo spettro solare hanno un’efficienza teorica massima del 33,16%, il limite Shockley – Queisser.
Le celle solari con materiali assorbitori di intervallo di banda multiplo migliorano l’efficienza dividendo il solare spettro in contenitori più piccoli in cui il limite di efficienza termodinamica è maggiore per ogni intervallo.
Efficienza quantistica Modifica
Come descritto sopra, quando un fotone viene assorbito da una cella solare e può produrre una coppia elettrone-lacuna. Uno dei portatori può raggiungere la giunzione p – n e contribuire alla corrente prodotta dalla cella solare; si dice che un tale vettore venga raccolto. Oppure, i portatori si ricombinano senza alcun contributo netto alla corrente della cella.
L’efficienza quantistica si riferisce alla percentuale di fotoni che vengono convertiti in corrente elettrica (cioè portatori raccolti) quando la cella viene utilizzata in condizioni di cortocircuito. L’efficienza quantica “esterna” di una cella solare al silicio include l’effetto di perdite ottiche come trasmissione e riflessione.
In particolare, è possibile adottare alcune misure per ridurre queste perdite. Le perdite per riflessione, che possono rappresentare fino al 10% dell’energia totale incidente, possono essere drasticamente ridotte utilizzando una tecnica chiamata texturizzazione, un metodo di intrappolamento della luce che modifica il percorso medio della luce.
L’efficienza quantistica è massima utilmente espresso come misura spettrale (cioè in funzione della lunghezza d’onda o dell’energia del fotone). Poiché alcune lunghezze d’onda vengono assorbite più efficacemente di altre, le misurazioni spettrali dell’efficienza quantistica possono fornire preziose informazioni sulla qualità della massa e delle superfici dei semiconduttori.L’efficienza quantistica da sola non è la stessa dell’efficienza di conversione energetica complessiva, poiché non trasmette informazioni sulla frazione di potenza convertita dalla cella solare.
Punto di massima potenzaModifica
La polvere si accumula spesso sul vetro dei moduli solari – evidenziata in questa immagine negativa come punti neri – che riduce la quantità di luce ammessa al solare celle
Una cella solare può funzionare su un’ampia gamma di tensioni (V) e correnti (I). Aumentando continuamente il carico resistivo su una cella irradiata da zero (cortocircuito) ad un valore molto alto (circuito aperto) si può determinare il punto di massima potenza, il punto che massimizza V × I; ovvero il carico per il quale la cella può fornire la massima potenza elettrica a quel livello di irraggiamento. (La potenza di uscita è zero sia negli estremi di cortocircuito che di circuito aperto).
Una cella solare in silicio monocristallino di alta qualità, a una temperatura della cella di 25 ° C, può produrre 0,60 V a circuito aperto (VOC) . La temperatura della cella in piena luce solare, anche con una temperatura dell’aria di 25 ° C, sarà probabilmente prossima a 45 ° C, riducendo la tensione a circuito aperto a 0,55 V per cella. La tensione scende modestamente, con questo tipo di cella, fino a quando non si avvicina la corrente di cortocircuito (ISC). La potenza massima (con una temperatura della cella di 45 ° C) viene tipicamente prodotta dal 75% all’80% della tensione a circuito aperto (0,43 V in questo caso) e al 90% della corrente di cortocircuito. Questa uscita può essere fino al 70% del prodotto VOC x ISC. La corrente di cortocircuito (ISC) da una cella è quasi proporzionale all’illuminazione, mentre la tensione a circuito aperto (VOC) può scendere solo del 10% con un calo dell’illuminazione dell’80%. Le celle di qualità inferiore hanno una caduta di tensione più rapida con l’aumentare della corrente e potrebbero produrre solo 1/2 VOC a 1/2 ISC. La potenza di uscita utilizzabile potrebbe quindi scendere dal 70% del prodotto VOC x ISC al 50% o addirittura al 25%. I fornitori che classificano la “potenza” della loro cella solare solo come VOC x ISC, senza fornire curve di carico, possono distorcere seriamente le loro prestazioni effettive.
Il punto di massima potenza di un fotovoltaico varia con l’illuminazione incidente. Ad esempio, l’accumulo di polvere sui pannelli fotovoltaici riduce il punto di massima potenza. Per i sistemi abbastanza grandi da giustificare la spesa extra, un tracker del punto di massima potenza tiene traccia della potenza istantanea misurando continuamente la tensione e la corrente (e quindi, il trasferimento di potenza) e utilizza queste informazioni per regolare dinamicamente il carico in modo che venga sempre trasferita la massima potenza , indipendentemente dalla variazione dell’illuminazione.
Fill factorEdit
Un altro termine che definisce il comportamento complessivo di una cella solare è il fattore di riempimento (FF). Questo fattore è una misura della qualità di una cella solare. Questa è la potenza disponibile al punto di massima potenza (Pm) divisa per la tensione a circuito aperto (VOC) e la corrente di corto circuito (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × È C . {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ times I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ times A_ {c} \ times G} {V_ {OC} \ volte I_ {SC}}}.}
Il fattore di riempimento può essere rappresentato graficamente dallo sweep IV, dove è il rapporto tra le diverse aree rettangolari.
Il fattore di riempimento è direttamente influenzato dal valori della serie di celle, resistenze di shunt e perdite dei diodi. Aumentando la resistenza di shunt (Rsh) e diminuendo la resistenza in serie (Rs) si ottiene un fattore di riempimento più elevato, con conseguente maggiore efficienza, e portando la potenza di uscita della cella più vicino al suo massimo teorico.
I fattori di riempimento tipici variano dal 50% all’82%. Il fattore di riempimento per una normale cella fotovoltaica al silicio è dell’80%.