De factoren die de efficiëntie van energieomzetting beïnvloeden, werden uiteengezet in een historisch document door William Shockley en Hans Queisser in 1961. Zie de Shockley-Queisser-limiet voor meer details.
Thermodynamische efficiëntie limiet en oneindige stapel limiet Bewerken
De Shockley-Queisser-limiet voor de efficiëntie van een enkelvoudige zonnecel onder ongeconcentreerd zonlicht op 273 K. Deze berekende curve maakt gebruik van actuele zonnespectrumgegevens en daarom is de curve kronkelend van IR-absorptiebanden in de atmosfeer. Deze efficiëntielimiet van ~ 34% kan worden overschreden door multijunctie-zonnecellen.
Als men een warmtebron heeft bij temperatuur Ts en een koeler koellichaam bij temperatuur Tc, is het maximum De theoretisch mogelijke waarde voor de verhouding tussen verkregen arbeid (of elektrisch vermogen) en geleverde warmte is 1-Tc / Ts, gegeven door een Carnot-warmtemotor. Als we 6000 K nemen voor de temperatuur van de zon en 300 K voor omgevingscondities op aarde, komt dit op 95%. In 1981 lieten Alexis de Vos en Herman Pauwels zien dat dit haalbaar is met een stapel van een oneindig aantal cellen met bandafstanden van oneindig (de eerste cellen die de binnenkomende fotonen tegenkomen) tot nul, met een spanning in elke cel heel dichtbij tot de nullastspanning, gelijk aan 95% van de bandafstand van die cel, en met 6000 K zwartelichaamsstraling uit alle richtingen. Het rendement van 95% dat daarmee wordt bereikt, betekent echter dat het elektrische vermogen 95% is van de netto hoeveelheid geabsorbeerd licht – de stapel zendt straling uit omdat deze een temperatuur heeft die niet nul is, en deze straling moet worden afgetrokken van de inkomende straling bij het berekenen van de hoeveelheid warmte die wordt overgedragen en de efficiëntie. Ze dachten ook aan het meer relevante probleem van het maximaliseren van het uitgangsvermogen voor een stapel die vanuit alle richtingen wordt verlicht door 6000 K blackbody-straling. In dit geval moeten de spanningen worden verlaagd tot minder dan 95% van de band gap (het percentage is niet constant over alle cellen). Het berekende maximale theoretische rendement is 86,8% voor een stapel van een oneindig aantal cellen, gebruikmakend van de binnenkomende geconcentreerde zonlichtstraling. Wanneer de inkomende straling alleen afkomstig is van een deel van de lucht ter grootte van de zon, daalt de efficiëntielimiet tot 68,7%.
Ultieme efficiëntieEdit
Normale fotovoltaïsche systemen hebben echter slechts één p –N-knooppunt en zijn daarom onderworpen aan een lagere efficiëntielimiet, door Shockley en Queisser de “ultieme efficiëntie” genoemd. Fotonen met een energie onder de bandafstand van het absorptiemateriaal kunnen geen elektron-gat-paar genereren, dus hun energie wordt niet omgezet in bruikbare output en genereren alleen warmte als ze worden geabsorbeerd. Voor fotonen met een energie boven de bandafstandenergie kan slechts een fractie van de energie boven de bandafstand worden omgezet in bruikbare output. Wanneer een foton met grotere energie wordt geabsorbeerd, wordt de overtollige energie boven de bandafstand omgezet in kinetische energie van de dragercombinatie. De overtollige kinetische energie wordt omgezet in warmte door fonon-interacties terwijl de kinetische energie van de dragers afneemt tot evenwichtssnelheid. Traditionele single-junction-cellen met een optimale bandafstand voor het zonnespectrum hebben een maximale theoretische efficiëntie van 33,16%, de Shockley-Queisser-limiet.
Zonnecellen met meervoudige bandgap-absorberende materialen verbeteren de efficiëntie door de zonne-energie te delen. spectrum in kleinere bakken waar de thermodynamische efficiëntielimiet voor elke bak hoger is.
Quantum efficiencyEdit
Zoals hierboven beschreven, wanneer een foton wordt geabsorbeerd door een zonnecel en kan een elektron-gat-paar produceren. Een van de dragers kan de p – n-overgang bereiken en bijdragen aan de stroom die door de zonnecel wordt geproduceerd; zo’n drager zou worden opgehaald. Of de dragers recombineren zonder netto bijdrage aan de celstroom.
Kwantumefficiëntie verwijst naar het percentage fotonen dat wordt omgezet in elektrische stroom (d.w.z. verzamelde dragers) wanneer de cel wordt bedreven onder kortsluitingsomstandigheden. De “externe” kwantumefficiëntie van een siliciumzonnecel omvat het effect van optische verliezen zoals transmissie en reflectie.
In het bijzonder kunnen enkele maatregelen worden genomen om deze verliezen te verminderen. De reflectieverliezen, die tot 10% van de totale invallende energie kunnen uitmaken, kunnen drastisch worden verminderd met behulp van een techniek die texturisatie wordt genoemd, een lichtopvangmethode die het gemiddelde lichtpad wijzigt.
Kwantumefficiëntie is het grootst. nuttig uitgedrukt als een spectrale meting (dat wil zeggen, als een functie van fotongolflengte of energie). Aangezien sommige golflengten effectiever worden geabsorbeerd dan andere, kunnen spectrale metingen van kwantumefficiëntie waardevolle informatie opleveren over de kwaliteit van de halfgeleidermassa en -oppervlakken.Kwantumrendement alleen is niet hetzelfde als het algehele energieomzettingsrendement, omdat het geen informatie geeft over het deel van het vermogen dat door de zonnecel wordt omgezet.
Maximaal vermogenspunt Bewerken
Stof hoopt zich vaak op op het glas van zonnepanelen – in deze negatieve afbeelding gemarkeerd als zwarte stippen – waardoor er minder licht naar de zonne-energie wordt toegelaten cellen
Een zonnecel kan werken over een breed scala aan spanningen (V) en stromen (I). Door de resistieve belasting op een bestraalde cel continu te verhogen van nul (een kortsluiting) naar een zeer hoge waarde (een open circuit) kan men het maximale vermogenspunt bepalen, het punt dat V × I maximaliseert; dat wil zeggen de belasting waarvoor de cel maximaal elektrisch vermogen kan leveren bij dat bestralingsniveau. (Het uitgangsvermogen is nul in zowel kortsluiting als open circuit extremen).
Een hoogwaardige monokristallijne silicium zonnecel kan bij een celtemperatuur van 25 ° C 0,60 V open circuit (VOC) produceren . De celtemperatuur in vol zonlicht, zelfs bij een luchttemperatuur van 25 ° C, zal waarschijnlijk in de buurt van 45 ° C liggen, waardoor de nullastspanning wordt verlaagd tot 0,55 V per cel. De spanning zakt bij dit type cel bescheiden tot de kortsluitstroom nadert (ISC). Maximaal vermogen (met celtemperatuur van 45 ° C) wordt doorgaans geproduceerd met 75% tot 80% van de nullastspanning (in dit geval 0,43 V) en 90% van de kortsluitstroom. Deze output kan oplopen tot 70% van het VOC x ISC-product. De kortsluitstroom (ISC) van een cel is bijna evenredig met de belichting, terwijl de nullastspanning (VOC) slechts 10% kan dalen met een 80% afname van de belichting. Cellen van lagere kwaliteit hebben een snellere spanningsdaling bij toenemende stroom en kunnen slechts 1/2 VOC produceren bij 1/2 ISC. Het bruikbare vermogen zou dus kunnen dalen van 70% van het VOC x ISC-product tot 50% of zelfs slechts 25%. Verkopers die hun zonnecel “vermogen” alleen beoordelen als VOC x ISC, zonder belastingscurves op te geven, kunnen hun werkelijke prestaties ernstig verstoren.
Het maximale stroompunt van een fotovoltaïsche installatie varieert met de invallende verlichting. De ophoping van stof op fotovoltaïsche panelen vermindert bijvoorbeeld het maximale stroompunt. Voor systemen die groot genoeg zijn om de extra kosten te rechtvaardigen, volgt een maximum power point tracker het momentane vermogen door continu de spanning en stroom (en dus de vermogensoverdracht) te meten, en gebruikt deze informatie om de belasting dynamisch aan te passen zodat het maximale vermogen altijd wordt overgedragen , ongeacht de variatie in verlichting.
VulfactorEdit
Een andere bepalende term in het algemene gedrag van een zonnecel is de vulfactor (FF). Deze factor is een maatstaf voor de kwaliteit van een zonnecel. Dit is het beschikbare vermogen bij het maximale vermogenspunt (Pm) gedeeld door de nullastspanning (VOC) en de kortsluitstroom (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ maal I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ maal A_ {c} \ maal G} {V_ {OC} \ keer I_ {SC}}}.}
De vulfactor kan grafisch worden weergegeven door de IV-sweep, waarbij het de verhouding is van de verschillende rechthoekige gebieden.
De vulfactor wordt rechtstreeks beïnvloed door de waarden van de celserie, shuntweerstanden en diodeverliezen. Het verhogen van de shuntweerstand (Rsh) en het verlagen van de serieweerstand (Rs) leidt tot een hogere vulfactor, wat resulteert in een grotere efficiëntie en het uitgangsvermogen van de cel dichter bij het theoretische maximum.
Typische vulfactoren variëren van 50% tot 82%. De vulfactor voor een normale silicium PV-cel is 80%.