Faktorene som påvirker effektiviteten til energiomdannelse ble forklart i et landemerke av William Shockley og Hans Queisser i 1961. Se Shockley – Queisser-grensen for flere detaljer.
Termodynamisk effektivitetsgrense og uendelig stack-grense Rediger
Shockley – Queisser-grensen for effektiviteten til en enkeltkryssende solcelle under ukonsentrert sollys ved 273 K. Denne beregnede kurven bruker faktiske solspektrumdata, og derfor er kurven svingete fra IR-absorpsjonsbånd i atmosfæren. Denne effektivitetsgrensen på ~ 34% kan overskrides av solceller med flere forbindelser.
Hvis man har en varmekilde ved temperatur Ts og kjøligere kjøleribbe ved temperatur Tc, er maksimum teoretisk mulig verdi for forholdet mellom arbeid (eller elektrisk kraft) oppnådd og tilført varme er 1-Tc / Ts, gitt av en Carnot-varmemotor. Hvis vi tar 6000 K for soltemperaturen og 300 K for omgivende forhold på jorden, kommer dette til 95%. I 1981 viste Alexis de Vos og Herman Pauwels at dette er oppnåelig med en bunke med et uendelig antall celler med båndgap som strekker seg fra uendelig (de første cellene som innkommende fotoner møter) til null, med en spenning i hver celle veldig nær til åpen kretsspenning, lik 95% av båndgapet til den cellen, og med 6000 K svart kroppsstråling som kommer fra alle retninger. Den dermed oppnådde 95% effektiviteten betyr imidlertid at den elektriske effekten er 95% av nettomengden av absorbert lys – stabelen avgir stråling ettersom den ikke har en temperatur på null, og denne strålingen må trekkes fra den innkommende strålingen ved beregning av mengden varme som overføres og effektiviteten. De vurderte også det mer relevante problemet med å maksimere kraftuttaket for en bunke som ble belyst fra alle retninger med 6000 K svart kroppsstråling. I dette tilfellet må spenningene senkes til mindre enn 95% av båndgapet (prosentandelen er ikke konstant over alle cellene). Den maksimale teoretiske effektiviteten beregnet er 86,8% for en bunke med et uendelig antall celler ved bruk av innkommende konsentrert sollysstråling. Når innkommende stråling bare kommer fra et område på himmelen på størrelse med solen, faller effektivitetsgrensen til 68,7%.
Ultimate efficiencyEdit
Normale solcelleanlegg har imidlertid bare ett p –Kryss og er derfor underlagt en lavere effektivitetsgrense, kalt «ultimate efficiency» av Shockley og Queisser. Fotoner med en energi under båndgapet til absorberingsmaterialet kan ikke generere et elektronhullspar, så energien deres blir ikke konvertert til nyttig effekt, og genererer bare varme hvis den absorberes. For fotoner med en energi over båndgapetergien kan bare en brøkdel av energien over båndgapet konverteres til nyttig utgang. Når et foton med større energi absorberes, blir den overskytende energien over båndgapet omgjort til kinetisk energi fra bærerkombinasjonen. Den overskytende kinetiske energien konverteres til varme gjennom fononinteraksjoner ettersom den kinetiske energien til bærerne bremser til likevekt. Tradisjonelle enkeltkryssingsceller med et optimalt båndgap for solspekteret har en maksimal teoretisk effektivitet på 33,16%, Shockley – Queisser-grensen.
Solceller med flerbåndsabsorberende materialer forbedrer effektiviteten ved å dele sol spektrum i mindre kasser der den termodynamiske effektivitetsgrensen er høyere for hver kasse.
Quantum efficiencyEdit
Som beskrevet ovenfor, når et foton absorberes av en solcelle kan den produsere et elektronhullspar. En av transportørene kan nå p – n-krysset og bidra til strømmen som produseres av solcellen; en slik transportør sies å være samlet. Eller bærerne rekombinerer uten nettobidrag til cellestrøm.
Kvantumeffektivitet refererer til prosentandelen fotoner som blir konvertert til elektrisk strøm (dvs. oppsamlede bærere) når cellen drives under kortslutningsforhold. Den «eksterne» kvanteeffektiviteten til en silisiumsolcelle inkluderer effekten av optiske tap som overføring og refleksjon.
Spesielt kan noen tiltak tas for å redusere disse tapene. Refleksjonstapene, som kan utgjøre opptil 10% av den totale innfallende energien, kan reduseres dramatisk ved hjelp av en teknikk som kalles teksturisering, en lysfangstmetode som endrer den gjennomsnittlige lysveien.
Kvanteffektivitet er mest nyttig uttrykt som en spektral måling (det vil si som en funksjon av fotonbølgelengde eller energi). Siden noen bølgelengder absorberes mer effektivt enn andre, kan spektrale målinger av kvanteffektivitet gi verdifull informasjon om kvaliteten på halvlederens bulk og overflater.Kvanteeffektivitet alene er ikke det samme som den totale energiomdannelseseffektiviteten, da den ikke formidler informasjon om brøkdelen av kraft som blir konvertert av solcellen.
Maksimum effektpunkt Rediger
Støv akkumuleres ofte på glasset av solmoduler – fremhevet i dette negative bildet som svarte prikker – noe som reduserer mengden lys som blir tatt inn celler
En solcelle kan operere over et bredt spekter (V) og strøm (I). Ved å øke resistiv belastning på en bestrålet celle kontinuerlig fra null (kortslutning) til en veldig høy verdi (en åpen krets) kan man bestemme det maksimale effektpunktet, det punktet som maksimerer V × I; det vil si belastningen som cellen kan levere maksimal elektrisk kraft på det nivået av bestråling. (Utgangseffekten er null både i kortslutningen og i ekstreme kretsløp).
En monokrystallinsk silisiumsolcelle av høy kvalitet, ved 25 ° C celletemperatur, kan produsere 0,60 V åpen krets (VOC) . Celle temperaturen i full sollys, selv med 25 ° C lufttemperatur, vil sannsynligvis være nær 45 ° C, og reduserer spenningen til åpen krets til 0,55 V per celle. Spenningen synker beskjedent, med denne typen celler, til kortslutningsstrømmen nærmer seg (ISC). Maksimal effekt (med 45 ° C celletemperatur) produseres vanligvis med 75% til 80% av åpen kretsspenning (0,43 V i dette tilfellet) og 90% av kortslutningsstrømmen. Denne produksjonen kan være opptil 70% av VOC x ISC-produktet. Kortslutningsstrømmen (ISC) fra en celle er nesten proporsjonal med belysningen, mens åpen kretsspenning (VOC) kan falle bare 10% med et 80% fall i belysning. Celler av lavere kvalitet har et raskere fall i spenning med økende strøm og kan bare produsere 1/2 VOC ved 1/2 ISC. Den brukbare kraftuttaket kan dermed synke fra 70% av VOC x ISC-produktet til 50% eller til og med så lite som 25%. Leverandører som kun vurderer solcellens «kraft» som VOC x ISC, uten å gi belastningskurver, kan forvride deres faktiske ytelse alvorlig.
Maksimum effektpunkt for solceller varierer med innlysende belysning. For eksempel reduserer opphopning av støv på solcelleanlegg det maksimale effektpunktet. For systemer som er store nok til å rettferdiggjøre de ekstra utgiftene, sporer en maksimal power point tracker øyeblikkelig effekt ved kontinuerlig å måle spenningen og strømmen (og dermed kraftoverføringen), og bruker denne informasjonen til å dynamisk justere belastningen slik at maksimal effekt alltid overføres , uavhengig av variasjonen i belysning.
Fill factorEdit
Et annet definerende begrep i den totale oppførselen til en solcelle er fyllingsfaktoren (FF). Denne faktoren er et mål på kvaliteten på en solcelle. Dette er den tilgjengelige effekten ved det maksimale effektpunktet (Pm) delt på åpen kretsspenning (VOC) og kortslutningsstrømmen (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} \ ganger I_ {SC}}}.}
Fyllingsfaktoren kan representeres grafisk av IV-sveipingen, der det er forholdet mellom de forskjellige rektangulære områdene.
Fyllingsfaktoren påvirkes direkte av verdier av celleserien, shuntmotstand og diodetap. Å øke shuntmotstanden (Rsh) og redusere seriemotstanden (Rs) fører til en høyere fyllingsfaktor, noe som resulterer i større effektivitet, og bringer cellens utgangseffekt nærmere det teoretiske maksimumet.
Typiske fyllfaktorer varierer fra 50% til 82%. Fyllingsfaktoren for en normal PV-celle av silisium er 80%.