太陽電池の効率

エネルギー変換効率に影響を与える要因は、1961年にWilliamShockleyとHansQueisserによる画期的な論文で説明されました。詳細については、Shockley–Queisserの制限を参照してください。

熱力学的効率限界と無限スタック限界編集

温度Tsに熱源があり、温度Tcに冷却ヒートシンクがある場合、最大供給される熱に対する得られる仕事（または電力）の比率の理論的に可能な値は、カルノー熱機関によって与えられる1-Tc / Tsです。太陽の温度に6000K、地球の周囲条件に300 Kをとると、これは95％になります。 1981年、Alexis deVosとHermanPauwelsは、これが無限大（入射光子が最初に遭遇するセル）からゼロまでのバンドギャップを持つ無限の数のセルのスタックで達成可能であり、各セルの電圧が非常に近いことを示しました。そのセルのバンドギャップの95％に等しい開回路電圧まで、すべての方向から6000Kの黒体放射が発生します。ただし、これによって達成される95％の効率は、電力が吸収される光の正味量の95％であることを意味します。スタックはゼロ以外の温度であるため放射を放出します。この放射は、計算時に入射放射から差し引く必要があります。伝達される熱の量と効率。彼らはまた、6000Kの黒体放射によってすべての方向から照らされているスタックの出力を最大化するというより適切な問題を検討しました。この場合、電圧をバンドギャップの95％未満に下げる必要があります（パーセンテージはすべてのセルで一定ではありません）。計算された最大理論効率は、入射する集中太陽光線を使用して、無限の数のセルのスタックに対して86.8％です。入ってくる放射が太陽の大きさの空の領域からのみ来る場合、効率の限界は68.7％に低下します。

究極の効率編集

ただし、通常の太陽光発電システムにはpが1つしかありません。 –n接合であるため、ShockleyとQueisserによって「究極の効率」と呼ばれる効率の下限が適用されます。吸収体材料のバンドギャップ未満のエネルギーを持つ光子は、電子正孔対を生成できないため、それらのエネルギーは有用な出力に変換されず、吸収された場合にのみ熱を生成します。バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーを持つ光子の場合、バンドギャップを超えるエネルギーのごく一部のみを有用な出力に変換できます。より大きなエネルギーの光子が吸収されると、バンドギャップを超える過剰なエネルギーがキャリアの組み合わせの運動エネルギーに変換されます。キャリアの運動エネルギーが平衡速度まで減速すると、過剰な運動エネルギーはフォノン相互作用によって熱に変換されます。太陽スペクトルに最適なバンドギャップを備えた従来の単一接合セルの最大理論効率は33.16％で、Shockley–Queisserの限界です。

複数のバンドギャップ吸収材を備えた太陽電池は、太陽を分割することで効率を向上させます。スペクトルをより小さなビンに分割し、各ビンの熱力学的効率限界が高くなります。

量子効率編集

上記のように、光子が太陽電池に吸収され、電子正孔対を生成することができます。キャリアの1つがp-n接合に到達し、太陽電池によって生成される電流に寄与する可能性があります。そのようなキャリアは集められると言われています。または、キャリアはセル電流に正味の寄与なしに再結合します。

量子効率とは、セルが短絡状態で動作しているときに電流に変換される光子（つまり、収集されたキャリア）のパーセンテージを指します。シリコン太陽電池の「外部」量子効率には、透過や反射などの光損失の影響が含まれます。

特に、これらの損失を減らすためにいくつかの対策を講じることができます。総入射エネルギーの最大10％を占める可能性のある反射損失は、平均光路を変更する光トラップ法であるテクスチャ化と呼ばれる手法を使用して劇的に減らすことができます。

量子効率が最も高いスペクトル測定として（つまり、光子の波長またはエネルギーの関数として）有用に表現されます。一部の波長は他の波長よりも効果的に吸収されるため、量子効率のスペクトル測定により、半導体のバルクと表面の品質に関する貴重な情報を得ることができます。量子効率だけでは、太陽電池によって変換される電力の割合に関する情報が伝達されないため、全体的なエネルギー変換効率と同じではありません。

最大電力ポイント編集

太陽電池は、広範囲の電圧（V）と電流（I）で動作する可能性があります。照射されたセルの抵抗負荷をゼロ（短絡）から非常に高い値（開回路）まで連続的に増加させることにより、最大電力点、つまりV×Iを最大化する点を決定できます。つまり、セルがそのレベルの照射で最大電力を供給できる負荷です。 （短絡と開回路の両極端で出力電力はゼロです。）

高品質の単結晶シリコン太陽電池は、25°Cのセル温度で0.60 Vの開回路（VOC）を生成する可能性があります。 。完全な日光の下でのセル温度は、気温が25°Cであっても、おそらく45°Cに近くなり、開回路電圧がセルあたり0.55Vに低下します。このタイプのセルでは、短絡電流に近づくまで電圧が適度に低下します（ISC）。最大電力（セル温度45°C）は、通常、開回路電圧（この場合は0.43 V）の75％から80％、および短絡電流の90％で生成されます。この出力は、VOC x ISC製品の最大70％になる可能性があります。セルからの短絡電流（ISC）は照明にほぼ比例しますが、開回路電圧（VOC）は照明が80％低下すると、わずか10％低下する可能性があります。低品質のセルは、電流の増加に伴って電圧がより急速に低下し、1 / 2ISCで1 / 2VOCしか生成できません。したがって、使用可能な電力出力は、VOC x ISC製品の70％から50％、さらには25％にまで低下する可能性があります。太陽電池の「電力」をVOCx ISCとしてのみ評価し、負荷曲線を示さないベンダーは、実際のパフォーマンスを大幅に歪める可能性があります。

太陽光発電の最大電力点は、入射照明によって異なります。たとえば、太陽光発電パネルにほこりがたまると、最大電力点が低下します。追加費用を正当化するのに十分な大きさのシステムの場合、最大電力点追従制御は、電圧と電流を継続的に測定することによって瞬間電力を追跡し（したがって、電力伝達）、この情報を使用して負荷を動的に調整し、最大電力が常に伝達されるようにします、照明の変化に関係なく。

曲線因子編集

太陽電池の全体的な動作におけるもう1つの定義用語は、曲線因子（FF）です。この係数は、太陽電池の品質の尺度です。これは、最大電力点（Pm）での利用可能な電力を開回路電圧（VOC）と短絡電流（ISC）で割ったものです。

FF = P mVOC×ISC =η×Ac×GVOC× ISC。 {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ times I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ times A_ {c} \ times G} {V_ {OC} \倍I_ {SC}}}。}

曲線因子は、さまざまな長方形の領域の比率であるIVスイープによってグラフィカルに表すことができます。

曲線因子は、セルの直列値、シャント抵抗、およびダイオード損失。シャント抵抗（Rsh）を増やし、直列抵抗（Rs）を減らすと、曲線因子が高くなり、効率が向上し、セルの出力電力が向上します。理論上の最大値に近い。

一般的な曲線因子の範囲は50％から82％です。通常のシリコンPVセルの曲線因子は80％です。