태양 전지 효율

에너지 변환 효율에 영향을 미치는 요인은 1961 년 William Shockley와 Hans Queisser의 획기적인 논문에서 설명되었습니다. 자세한 내용은 Shockley–Queisser 한계를 참조하십시오.

열역학적 효율 한계 및 무한 스택 한계 편집

온도 Ts에서 열원이 있고 온도 Tc에서 더 차가운 방열판이있는 경우 최대 공급 된 열에 대한 일 (또는 전력)의 비율에 대해 이론적으로 가능한 값은 카르노 열 엔진에 의해 주어진 1-Tc / Ts입니다. 태양의 온도로 6000K를, 지구상의 주변 조건으로 300K를 취하면 95 %가됩니다. 1981 년에 Alexis de Vos와 Herman Pauwels는 무한대 (수신 광자가 만나는 첫 번째 셀)에서 0에 이르는 밴드 갭을 가진 무한한 수의 셀 스택을 통해 달성 할 수 있으며 각 셀의 전압은 매우 가깝다는 것을 보여주었습니다. 개방 회로 전압으로, 해당 셀의 밴드 갭의 95 %에 해당하며 모든 방향에서 6000K 흑체 복사가 발생합니다. 그러나 95 % 효율을 달성한다는 것은 전력이 흡수 된 순 광량의 95 %라는 것을 의미합니다. 스택은 0이 아닌 온도를 가지기 때문에 방사선을 방출하며,이 방사선은 다음을 계산할 때 들어오는 방사선에서 빼야합니다. 전달되는 열의 양과 효율성. 그들은 또한 6000K 흑체 복사에 의해 모든 방향에서 조명되는 스택의 전력 출력을 최대화하는 더 관련성있는 문제를 고려했습니다. 이 경우 전압을 밴드 갭의 95 % 미만으로 낮추어야합니다 (모든 셀에서 백분율이 일정하지 않음). 계산 된 최대 이론적 효율은 들어오는 집중된 햇빛 복사를 사용하여 무한한 수의 셀 스택에 대해 86.8 %입니다. 들어오는 방사선이 태양 크기의 하늘 영역에서만 나오면 효율성 한계는 68.7 %로 떨어집니다.

궁극적 인 효율성 편집

그러나 일반 태양 광 시스템은 하나의 p 만 가지고 있습니다. –n 접합이므로 Shockley와 Queisser에 의해 “궁극적 인 효율성”이라고 불리는 낮은 효율성 한계가 적용됩니다. 흡수체 물질의 밴드 갭 아래에 에너지를 가진 광자는 전자-정공 쌍을 생성 할 수 없으므로 에너지는 유용한 출력으로 변환되지 않으며 흡수 될 경우에만 열을 생성합니다. 밴드 갭 에너지보다 높은 에너지를 가진 광자의 경우, 밴드 갭 위의 에너지의 일부만 유용한 출력으로 변환 될 수 있습니다. 더 큰 에너지의 광자가 흡수되면 밴드 갭 위의 초과 에너지가 캐리어 조합의 운동 에너지로 변환됩니다. 초과 운동 에너지는 캐리어의 운동 에너지가 평형 속도로 느려짐에 따라 포논 상호 작용을 통해 열로 변환됩니다. 태양 스펙트럼에 대해 최적의 밴드 갭을 가진 기존의 단일 접합 셀은 최대 이론적 효율이 33.16 % 인 Shockley-Queisser 한계입니다.

다중 밴드 갭 흡수 재료를 사용하는 태양 전지는 태양을 분할하여 효율성을 향상시킵니다. 스펙트럼을 각 빈에 대해 열역학적 효율 한계가 더 높은 더 작은 빈으로 변환합니다.

양자 효율 편집

위에 설명 된대로 광자가 태양 전지에 흡수되어 전자-정공 쌍을 생성 할 수 있습니다. 캐리어 중 하나는 p-n 접합에 도달하여 태양 전지에서 생성되는 전류에 기여할 수 있습니다. 그러한 운반자는 수집된다고합니다. 또는 캐리어는 셀 전류에 대한 순 기여없이 재결합합니다.

양자 효율은 셀이 단락 상태에서 작동 할 때 전류로 변환되는 광자의 비율 (즉, 수집 된 캐리어)을 나타냅니다. 실리콘 태양 전지의 “외부”양자 효율에는 투과 및 반사와 같은 광학 손실의 영향이 포함됩니다.

특히 이러한 손실을 줄이기 위해 몇 가지 조치를 취할 수 있습니다. 총 입사 에너지의 최대 10 %를 차지할 수있는 반사 손실은 평균 광 경로를 수정하는 광 트래핑 방법 인 텍스처 화라는 기술을 사용하여 크게 줄일 수 있습니다.

양자 효율이 가장 높습니다. 스펙트럼 측정 (즉, 광자 파장 또는 에너지의 함수로)으로 유용하게 표현됩니다. 일부 파장은 다른 파장보다 더 효과적으로 흡수되기 때문에 양자 효율의 스펙트럼 측정은 반도체 벌크 및 표면의 품질에 대한 귀중한 정보를 얻을 수 있습니다.양자 효율만으로는 태양 전지에 의해 변환되는 전력 비율에 대한 정보를 전달하지 않기 때문에 전체 에너지 변환 효율과 동일하지 않습니다.

최대 전력 점 편집

태양 전지는 광범위한 전압 (V) 및 전류 (I)에서 작동 할 수 있습니다. 조사 된 셀의 저항 부하를 0 (단락)에서 매우 높은 값 (개방 회로)까지 지속적으로 증가시킴으로써 V × I를 최대화하는 지점 인 최대 전력 지점을 결정할 수 있습니다. 즉, 셀이 해당 조사 수준에서 최대 전력을 전달할 수있는 부하입니다. (단락 및 개방 회로 극단에서 출력 전력은 0입니다.)

25 ° C 셀 온도에서 고품질 단결정 실리콘 태양 전지는 0.60V 개방 회로 (VOC)를 생성 할 수 있습니다. . 25 ° C의 대기 온도에서도 태양 광이 가득 찬 셀 온도는 아마도 45 ° C에 가까워 개방 회로 전압을 셀당 0.55V로 줄입니다. 이러한 유형의 셀에서는 단락 전류 (ISC)에 도달 할 때까지 전압이 약간 떨어집니다. 최대 전력 (셀 온도 45 ° C)은 일반적으로 개방 회로 전압의 75 % ~ 80 % (이 경우 0.43V)와 단락 전류의 90 %로 생성됩니다. 이 출력은 VOC x ISC 제품의 최대 70 % 일 수 있습니다. 셀의 단락 전류 (ISC)는 조명에 거의 비례하는 반면 개방 회로 전압 (VOC)은 조명이 80 % 떨어지면 10 % 만 떨어질 수 있습니다. 저품질 셀은 전류가 증가함에 따라 전압이 더 빠르게 강하되며 1/2 ISC에서 1/2 VOC 만 생성 할 수 있습니다. 따라서 사용 가능한 전력 출력은 VOC x ISC 제품의 70 %에서 50 % 또는 최소 25 %로 떨어질 수 있습니다. 부하 곡선을 제공하지 않고 태양 전지 “전력”을 VOC x ISC로만 평가하는 공급 업체는 실제 성능을 심각하게 왜곡 할 수 있습니다.

태양 광의 최대 전력 점은 입사 조명에 따라 다릅니다. 예를 들어 태양 광 패널에 먼지가 쌓이면 최대 전력 지점이 감소합니다. 추가 비용을 정당화 할 수있을만큼 큰 시스템의 경우 최대 전력 지점 추적기는 전압과 전류를 지속적으로 측정하여 (따라서 전력 전송) 순간 전력을 추적하고이 정보를 사용하여 부하를 동적으로 조정하여 항상 최대 전력이 전송되도록합니다. , 조명의 변화에 관계없이.

Fill factorEdit

태양 전지의 전반적인 동작을 정의하는 또 다른 용어는 채우기 비율 (FF)입니다. 이 요소는 태양 전지의 품질을 측정합니다. 이것은 최대 전력 점 (Pm)에서 사용 가능한 전력을 개방 회로 전압 (VOC)과 단락 전류 (ISC)로 나눈 값입니다.

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}}}.}

채우기 비율은 IV 스윕으로 그래픽으로 표시 될 수 있으며, 여기서 다른 직사각형 영역의 비율입니다.

채우기 비율은 셀의 시리즈 값, 션트 저항 및 다이오드 손실. 션트 저항 (Rsh)을 높이고 직렬 저항 (Rs)을 줄이면 필 팩터가 높아져 효율성이 향상되고 셀의 출력 전력이 증가합니다. 이론상 최대 값에 가깝습니다.

일반적인 채우기 비율은 50 %에서 82 %까지입니다. 일반 실리콘 PV 전지의 충전 계수는 80 %입니다.