Czynniki wpływające na efektywność konwersji energii zostały wyjaśnione w przełomowym artykule Williama Shockleya i Hansa Queissera w 1961 roku. Więcej szczegółów można znaleźć w artykule Limit Shockley-Queisser.
Limit sprawności termodynamicznej i limit nieskończonego stosuEdit
Granica Shockley-Queisser dla sprawności ogniwa słonecznego z pojedynczym złączem w warunkach niezagęszczonego światła słonecznego przy 273 K. Ta obliczona krzywa wykorzystuje rzeczywiste dane widma słonecznego, a zatem krzywa jest falująca z pasm absorpcji IR w atmosferze. Ten limit sprawności wynoszący ~ 34% może zostać przekroczony przez wielozłączowe ogniwa słoneczne.
Jeśli mamy źródło ciepła w temperaturze Ts i chłodniejszy radiator w temperaturze Tc, maksymalna teoretycznie możliwa wartość stosunku pracy (lub mocy elektrycznej) uzyskanej do dostarczonego ciepła to 1-Tc / Ts, podana przez silnik cieplny Carnota. Jeśli weźmiemy 6000 K za temperaturę słońca i 300 K za warunki panujące na ziemi, to dochodzi do 95%. W 1981 roku Alexis de Vos i Herman Pauwels wykazali, że jest to osiągalne dzięki stosowi nieskończonej liczby komórek z przerwami pasmowymi od nieskończoności (pierwsze komórki napotkane przez przychodzące fotony) do zera, przy napięciu w każdej komórce bardzo blisko do napięcia otwartego obwodu, równego 95% pasma wzbronionego tej komórki i przy promieniowaniu ciała doskonale czarnego 6000 K dochodzącym ze wszystkich kierunków. Jednak uzyskana w ten sposób 95% sprawność oznacza, że moc elektryczna stanowi 95% ilości netto pochłoniętego światła – stos emituje promieniowanie, ponieważ ma niezerową temperaturę, a to promieniowanie należy odjąć od promieniowania przychodzącego przy obliczaniu ilość przekazywanego ciepła i sprawność. Rozważyli również bardziej istotny problem maksymalizacji mocy wyjściowej stosu oświetlanego ze wszystkich kierunków przez promieniowanie ciała czarnego 6000 K. W takim przypadku napięcia należy obniżyć do mniej niż 95% pasma wzbronionego (procent nie jest stały we wszystkich ogniwach). Maksymalna obliczona teoretyczna wydajność wynosi 86,8% dla stosu nieskończonej liczby ogniw, przy wykorzystaniu napływającego skoncentrowanego promieniowania słonecznego. Kiedy docierające promieniowanie pochodzi tylko z obszaru nieba wielkości Słońca, granica sprawności spada do 68,7%.
Ostateczna efektywnośćEdytuj
Zwykłe systemy fotowoltaiczne mają jednak tylko jedno p –N skrzyżowaniu i dlatego podlegają niższej granicy sprawności, nazywanej przez Shockley i Queisser „najwyższą wydajnością”. Fotony z energią poniżej pasma wzbronionego materiału absorbera nie mogą generować pary elektron-dziura, więc ich energia nie jest przekształcana na użyteczną moc wyjściową i generuje ciepło tylko wtedy, gdy zostanie zaabsorbowana. W przypadku fotonów o energii powyżej pasma wzbronionego tylko ułamek energii powyżej pasma wzbronionego można przekształcić w użyteczną moc wyjściową. Kiedy absorbowany jest foton o większej energii, nadmiar energii powyżej pasma wzbronionego jest zamieniany na energię kinetyczną kombinacji nośników. Nadmiar energii kinetycznej jest zamieniany na ciepło poprzez interakcje fononów, gdy energia kinetyczna nośników zwalnia do prędkości równowagi. Tradycyjne ogniwa jednozłączowe z optymalnym pasmem wzbronionym dla widma słonecznego mają maksymalną teoretyczną wydajność 33,16%, czyli granicę Shockleya-Queissera.
Ogniwa słoneczne z wieloma materiałami pochłaniającymi pasmo wzbronione poprawiają wydajność, dzieląc energię słoneczną widmo na mniejsze przedziały, gdzie granica sprawności termodynamicznej jest wyższa dla każdego przedziału.
Efektywność kwantowaEdit
Jak opisano powyżej, gdy foton jest absorbowany przez ogniwo słoneczne, może wytworzyć parę elektron-dziura. Jeden z nośników może dotrzeć do węzła p – n i przyczynić się do prądu wytwarzanego przez ogniwo słoneczne; mówi się, że taki przewoźnik został odebrany. Albo nośniki rekombinują bez udziału netto w prądzie ogniwa.
Wydajność kwantowa odnosi się do procentu fotonów, które są przekształcane w prąd elektryczny (tj. Zebrane nośniki), gdy ogniwo pracuje w warunkach zwarcia. „Zewnętrzna” wydajność kwantowa krzemowego ogniwa słonecznego obejmuje efekt strat optycznych, takich jak przepuszczalność i odbicie.
W szczególności można podjąć pewne środki w celu zmniejszenia tych strat. Straty odbicia, które mogą stanowić do 10% całkowitej padającej energii, można radykalnie zmniejszyć za pomocą techniki zwanej teksturowaniem, metodą pułapkowania światła, która modyfikuje średnią ścieżkę światła.
Wydajność kwantowa jest najbardziej użytecznie wyrażone jako pomiar widmowy (to znaczy jako funkcja długości fali lub energii fotonu). Ponieważ niektóre długości fal są absorbowane skuteczniej niż inne, spektralne pomiary wydajności kwantowej mogą dostarczyć cennych informacji o jakości masy i powierzchni półprzewodników.Sama sprawność kwantowa nie jest tym samym, co ogólna sprawność konwersji energii, ponieważ nie przekazuje informacji o ułamku mocy, który jest konwertowany przez ogniwo słoneczne.
Punkt maksymalnej mocyEdit
Kurz często gromadzi się na szkle modułów słonecznych – zaznaczony na tym negatywowym obrazie jako czarne kropki – co zmniejsza ilość światła wpadającego do Słońca ogniwa
Ogniwo słoneczne może pracować w szerokim zakresie napięć (V) i prądów (I). Zwiększając obciążenie rezystancyjne napromieniowanego ogniwa w sposób ciągły od zera (zwarcie) do bardzo wysokiej wartości (obwód otwarty), można wyznaczyć maksymalny punkt mocy, punkt, który maksymalizuje V × I; to znaczy obciążenie, przy którym ogniwo może dostarczyć maksymalną moc elektryczną przy tym poziomie napromieniowania. (Moc wyjściowa jest zerowa zarówno w skrajnych warunkach zwarcia, jak i otwartego obwodu).
Wysokiej jakości monokrystaliczne ogniwo słoneczne z krzemu, przy temperaturze ogniwa 25 ° C, może wytwarzać 0,60 V w obwodzie otwartym (VOC). . Temperatura ogniwa w pełnym słońcu, nawet przy temperaturze powietrza 25 ° C, prawdopodobnie będzie bliska 45 ° C, zmniejszając napięcie obwodu otwartego do 0,55 V na ogniwo. W przypadku tego typu ogniw napięcie spada nieznacznie do momentu zbliżenia się do prądu zwarciowego (ISC). Maksymalna moc (przy temperaturze ogniwa 45 ° C) jest zwykle wytwarzana przy 75% do 80% napięcia otwartego obwodu (w tym przypadku 0,43 V) i 90% prądu zwarciowego. Ta moc wyjściowa może stanowić do 70% produktu VOC x ISC. Prąd zwarciowy (ISC) z ogniwa jest prawie proporcjonalny do oświetlenia, podczas gdy napięcie otwartego obwodu (VOC) może spaść tylko o 10% przy 80% spadku oświetlenia. Ogniwa niższej jakości charakteryzują się szybszym spadkiem napięcia wraz ze wzrostem prądu i mogą wytwarzać tylko 1/2 VOC przy 1/2 ISC. Użyteczna moc wyjściowa może zatem spaść z 70% produktu VOC x ISC do 50% lub nawet do 25%. Sprzedawcy, którzy oceniają „moc” swoich ogniw słonecznych tylko jako VOC x ISC, bez podawania krzywych obciążenia, mogą poważnie zniekształcić ich rzeczywistą wydajność.
Maksymalny punkt mocy fotowoltaiki zmienia się w zależności od padającego oświetlenia. Na przykład gromadzenie się kurzu na panelach fotowoltaicznych zmniejsza maksymalny punkt mocy. W przypadku systemów wystarczająco dużych, aby uzasadnić dodatkowy koszt, moduł śledzenia punktu maksymalnej mocy śledzi chwilową moc poprzez ciągłe mierzenie napięcia i prądu (a tym samym transferu mocy) i wykorzystuje te informacje do dynamicznej regulacji obciążenia, tak aby maksymalna moc była zawsze przesyłana , niezależnie od różnic w oświetleniu.
Współczynnik wypełnieniaEdit
Innym definiującym pojęciem ogólnego zachowania ogniwa słonecznego jest współczynnik wypełnienia (FF). Ten czynnik jest miarą jakości ogniwa słonecznego. Jest to dostępna moc w maksymalnym punkcie mocy (Pm) podzielona przez napięcie obwodu otwartego (VOC) i prąd zwarcia (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ Displaystyle FF = {\ Frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ razy I_ {SC}}} = {\ Frac {\ eta \ razy A_ {c} \ razy G} {V_ {OC} \ razy I_ {SC}}}.}
Współczynnik wypełnienia można przedstawić graficznie za pomocą odchylenia IV, gdzie jest to stosunek różnych prostokątnych obszarów.
Na współczynnik wypełnienia ma bezpośredni wpływ wartości serii ogniw, rezystancji bocznikowych i strat na diodach. Zwiększenie rezystancji bocznikowej (Rsh) i zmniejszenie rezystancji szeregowej (Rs) prowadzi do wyższego współczynnika wypełnienia, a tym samym do większej sprawności i zwiększenia mocy wyjściowej ogniwa bliżej teoretycznego maksimum.
Typowe współczynniki wypełnienia wahają się od 50% do 82%. Współczynnik wypełnienia dla zwykłego krzemowego ogniwa PV wynosi 80%.