Os fatores que afetam a eficiência da conversão de energia foram expostos em um artigo de referência de William Shockley e Hans Queisser em 1961. Consulte o limite de Shockley-Queisser para mais detalhes.
Limite de eficiência termodinâmica e limite de pilha infinitaEditar
O limite de Shockley-Queisser para a eficiência de uma célula solar de junção única sob luz solar não concentrada a 273 K. Esta curva calculada usa dados reais do espectro solar e, portanto, a curva é irregular com as bandas de absorção de IR na atmosfera. Este limite de eficiência de ~ 34% pode ser excedido por células solares multijuncionais.
Se alguém tiver uma fonte de calor na temperatura Ts e um dissipador de calor mais frio na temperatura Tc, o máximo o valor teoricamente possível para a relação entre trabalho (ou energia elétrica) obtido e o calor fornecido é 1-Tc / Ts, dado por uma máquina térmica de Carnot. Se tomarmos 6.000 K para a temperatura do sol e 300 K para as condições ambientais da Terra, isso chega a 95%. Em 1981, Alexis de Vos e Herman Pauwels mostraram que isso é possível com uma pilha de um número infinito de células com intervalos de banda variando de infinito (as primeiras células encontradas pelos fótons que chegam) a zero, com uma voltagem em cada célula muito próxima para a tensão de circuito aberto, igual a 95% do gap dessa célula, e com radiação de corpo negro de 6.000 K vindo de todas as direções. No entanto, a eficiência de 95% assim alcançada significa que a energia elétrica é de 95% da quantidade líquida de luz absorvida – a pilha emite radiação porque tem temperatura diferente de zero, e essa radiação deve ser subtraída da radiação de entrada ao calcular o quantidade de calor sendo transferido e a eficiência. Eles também consideraram o problema mais relevante de maximizar a potência de saída de uma pilha sendo iluminada de todas as direções por radiação de corpo negro de 6000 K. Nesse caso, as tensões devem ser reduzidas para menos de 95% do intervalo de banda (a porcentagem não é constante em todas as células). A eficiência máxima teórica calculada é de 86,8% para uma pilha de um número infinito de células, usando a radiação solar concentrada incidente. Quando a radiação que chega vem apenas de uma área do céu do tamanho do sol, o limite de eficiência cai para 68,7%.
Eficiência finalEditar
Os sistemas fotovoltaicos normais, entretanto, têm apenas um p –N junção e, portanto, estão sujeitos a um limite de eficiência inferior, denominado “eficiência final” por Shockley e Queisser. Os fótons com uma energia abaixo do gap do material absorvedor não podem gerar um par elétron-buraco, então sua energia não é convertida em saída útil e só gera calor se absorvido. Para fótons com energia acima da energia do gap, apenas uma fração da energia acima do gap pode ser convertida em saída útil. Quando um fóton de maior energia é absorvido, o excesso de energia acima do intervalo de banda é convertido em energia cinética da combinação de portadores. O excesso de energia cinética é convertido em calor por meio de interações de fônons à medida que a energia cinética dos portadores desacelera até a velocidade de equilíbrio. Células de junção única tradicionais com um gap ideal para o espectro solar têm uma eficiência teórica máxima de 33,16%, o limite de Shockley-Queisser.
Células solares com vários materiais absorvedores de gap melhoram a eficiência dividindo o solar espectro em caixas menores onde o limite de eficiência termodinâmica é maior para cada caixa.
Eficiência quânticaEditar
Conforme descrito acima, quando um fóton é absorvido por uma célula solar, pode produzir um par elétron-buraco. Um dos portadores pode atingir a junção p – n e contribuir para a corrente produzida pela célula solar; tal transportador é dito ser coletado. Ou os portadores se recombinam sem contribuição líquida para a corrente da célula.
Eficiência quântica refere-se à porcentagem de fótons que são convertidos em corrente elétrica (isto é, portadores coletados) quando a célula é operada em condições de curto-circuito. A eficiência quântica “externa” de uma célula solar de silício inclui o efeito de perdas ópticas, como transmissão e reflexão.
Em particular, algumas medidas podem ser tomadas para reduzir essas perdas. As perdas de reflexão, que podem representar até 10% da energia incidente total, podem ser reduzidas drasticamente usando uma técnica chamada texturização, um método de captura de luz que modifica o caminho médio da luz.
A eficiência quântica é máxima expresso de forma útil como uma medição espectral (isto é, como uma função do comprimento de onda ou energia do fóton). Uma vez que alguns comprimentos de onda são absorvidos de forma mais eficaz do que outros, as medições espectrais da eficiência quântica podem render informações valiosas sobre a qualidade do volume e das superfícies do semicondutor.A eficiência quântica por si só não é o mesmo que a eficiência geral de conversão de energia, pois não transmite informações sobre a fração de energia que é convertida pela célula solar.
Potência máxima pointEdit
A poeira frequentemente se acumula no vidro dos módulos solares – destacados nesta imagem negativa como pontos pretos – o que reduz a quantidade de luz admitida no solar células
Uma célula solar pode operar em uma ampla gama de tensões (V) e correntes (I). Ao aumentar a carga resistiva em uma célula irradiada continuamente de zero (um curto-circuito) a um valor muito alto (um circuito aberto), pode-se determinar o ponto de potência máxima, o ponto que maximiza V × I; isto é, a carga para a qual a célula pode fornecer potência elétrica máxima naquele nível de irradiação. (A potência de saída é zero nos extremos de curto e circuito aberto).
Uma célula solar de silício monocristalino de alta qualidade, a 25 ° C de temperatura da célula, pode produzir 0,60 V de circuito aberto (VOC) . A temperatura da célula em plena luz do sol, mesmo com 25 ° C de temperatura do ar, provavelmente ficará próxima a 45 ° C, reduzindo a tensão de circuito aberto para 0,55 V por célula. A tensão cai modestamente, com este tipo de célula, até que se aproxime a corrente de curto-circuito (ISC). A potência máxima (com temperatura de célula de 45 ° C) é normalmente produzida com 75% a 80% da tensão de circuito aberto (0,43 V neste caso) e 90% da corrente de curto-circuito. Essa produção pode ser de até 70% do produto VOC x ISC. A corrente de curto-circuito (ISC) de uma célula é quase proporcional à iluminação, enquanto a tensão de circuito aberto (VOC) pode cair apenas 10% com uma queda de 80% na iluminação. Células de qualidade inferior têm uma queda mais rápida de voltagem com o aumento da corrente e podem produzir apenas 1/2 VOC a 1/2 ISC. A saída de energia utilizável pode, portanto, cair de 70% do produto VOC x ISC para 50% ou mesmo tão pouco quanto 25%. Os fornecedores que classificam sua “energia” de células solares apenas como VOC x ISC, sem fornecer curvas de carga, podem estar distorcendo seriamente seu desempenho real.
O ponto de potência máxima de um fotovoltaico varia com a iluminação incidente. Por exemplo, o acúmulo de poeira nos painéis fotovoltaicos reduz o ponto de potência máxima. Para sistemas grandes o suficiente para justificar a despesa extra, um rastreador de ponto de potência máxima rastreia a potência instantânea medindo continuamente a tensão e a corrente (e, portanto, a transferência de potência) e usa essas informações para ajustar dinamicamente a carga de modo que a potência máxima seja sempre transferida , independentemente da variação na iluminação.
Fill factorEdit
Outro termo definidor no comportamento geral de uma célula solar é o fator de preenchimento (FF). Este fator é uma medida de qualidade de uma célula solar. Esta é a potência disponível no ponto de potência máxima (Pm) dividido pela tensão de circuito aberto (VOC) e a corrente de curto-circuito (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} \ vezes I_ {SC}}}.}
O fator de preenchimento pode ser representado graficamente pela varredura IV, onde é a proporção das diferentes áreas retangulares.
O fator de preenchimento é diretamente afetado pelo valores da série da célula, resistências de shunt e perdas de diodos. Aumentando a resistência de shunt (Rsh) e diminuindo a resistência em série (Rs) levam a um fator de preenchimento mais alto, resultando em maior eficiência e trazendo a potência de saída da célula mais perto de seu máximo teórico.
Fatores de preenchimento típicos variam de 50% a 82%. O fator de preenchimento para uma célula PV de silício normal é 80%.