Factorii care afectează eficiența conversiei energiei au fost expuși într-o lucrare de referință de William Shockley și Hans Queisser în 1961. Consultați limita Shockley – Queisser pentru mai multe detalii.
Limită de eficiență termodinamică și limită de stivă infinităEdit
Limita Shockley – Queisser pentru eficiența unei celule solare cu o singură joncțiune sub lumina soarelui neconcentrată la 273 K. Această curbă calculată folosește date reale despre spectrul solar și, prin urmare, curba este înclinată de benzile de absorbție IR din atmosferă. Această limită de eficiență de ~ 34% poate fi depășită de celulele solare cu mai multe funcții.
Dacă cineva are o sursă de căldură la temperatura Ts și un radiator mai rece la temperatura Tc, valoarea maximă valoarea teoretic posibilă pentru raportul de muncă (sau putere electrică) obținută la căldura furnizată este 1-Tc / Ts, dată de un motor termic Carnot. Dacă luăm 6000 K pentru temperatura soarelui și 300 K pentru condițiile ambientale de pe pământ, aceasta va ajunge la 95%. În 1981, Alexis de Vos și Herman Pauwels au arătat că acest lucru este realizabil cu un teanc de un număr infinit de celule cu goluri de bandă variind de la infinit (primele celule întâlnite de fotonii de intrare) până la zero, cu o tensiune în fiecare celulă foarte aproape la tensiunea în circuit deschis, egală cu 95% din intervalul de bandă al acelei celule și cu o radiație a corpului negru de 6000 K provenind din toate direcțiile. Cu toate acestea, eficiența de 95% obținută astfel înseamnă că puterea electrică este 95% din cantitatea netă de lumină absorbită – stiva emite radiații deoarece are o temperatură diferită de zero, iar această radiație trebuie scăzută din radiația de intrare atunci când se calculează cantitatea de căldură transferată și eficiența. De asemenea, au luat în considerare problema mai relevantă a maximizării puterii de ieșire pentru un teanc iluminat din toate direcțiile de 6000 K radiație a corpului negru. În acest caz, tensiunile trebuie reduse la mai puțin de 95% din intervalul de bandă (procentul nu este constant peste toate celulele). Eficiența teoretică maximă calculată este de 86,8% pentru un teanc de un număr infinit de celule, utilizând radiația solară concentrată. Când radiația de intrare provine doar dintr-o zonă a cerului de dimensiunea soarelui, limita de eficiență scade la 68,7%.
Eficiență finală Editează
Sistemele fotovoltaice normale au totuși doar un p –În joncțiune și, prin urmare, sunt supuse unei limite de eficiență mai mici, numită „eficiența finală” de către Shockley și Queisser. Fotonii cu o energie sub intervalul de bandă al materialului absorbant nu pot genera o pereche electron-gaură, deci energia lor nu este convertită în ieșire utilă și generează căldură numai dacă este absorbită. Pentru fotonii cu o energie peste energia de band gap, doar o fracțiune din energia de deasupra gap-ului de bandă poate fi convertită la ieșire utilă. Când un foton de energie mai mare este absorbit, energia în exces deasupra intervalului de bandă este convertită în energie cinetică a combinației purtătoare. Energia cinetică în exces este convertită în căldură prin interacțiuni fonice pe măsură ce energia cinetică a purtătorilor încetinește la viteza de echilibru. Celulele tradiționale cu joncțiune simplă cu un interval de bandă optim pentru spectrul solar au o eficiență teoretică maximă de 33,16%, limita Shockley – Queisser.
Celulele solare cu materiale de absorbție a diferențelor de bandă multiple îmbunătățesc eficiența prin divizarea solarului spectru în coșuri mai mici în care limita de eficiență termodinamică este mai mare pentru fiecare coș.
Eficiența cuantică Editați
După cum este descris mai sus, atunci când un foton este absorbit de o celulă solară, poate produce o pereche electron-gaură. Unul dintre purtători poate ajunge la joncțiunea p-n și poate contribui la curentul produs de celula solară; se spune că un astfel de transportator este colectat. Sau, purtătorii se recombină fără nicio contribuție netă la curentul celulei.
Eficiența cuantică se referă la procentul de fotoni care sunt convertiți în curent electric (adică, purtători colectați) atunci când celula este acționată în condiții de scurtcircuit. Eficiența cuantică „externă” a unei celule solare din siliciu include efectul pierderilor optice, cum ar fi transmisia și reflexia.
În special, pot fi luate unele măsuri pentru a reduce aceste pierderi. Pierderile de reflexie, care pot reprezenta până la 10% din energia incidentă totală, pot fi reduse dramatic folosind o tehnică numită texturizare, o metodă de captare a luminii care modifică calea medie a luminii.
Eficiența cuantică este cea mai mare exprimat în mod util ca măsurare spectrală (adică în funcție de lungimea de undă a fotonului sau de energie). Deoarece unele lungimi de undă sunt absorbite mai eficient decât altele, măsurătorile spectrale ale eficienței cuantice pot furniza informații valoroase despre calitatea volumului și a suprafețelor semiconductoarelor.Eficiența cuantică nu este aceeași cu eficiența globală de conversie a energiei, deoarece nu transmite informații despre fracțiunea de energie transformată de celula solară.
Puterea maximă a puteriiEdit
Praful se acumulează adesea pe sticla modulelor solare – evidențiată în această imagine negativă ca puncte negre – ceea ce reduce cantitatea de lumină admisă la solar celule
O celulă solară poate funcționa pe o gamă largă de tensiuni (V) și curenți (I). Prin creșterea sarcinii rezistive pe o celulă iradiată continuu de la zero (un scurtcircuit) la o valoare foarte mare (un circuit deschis) se poate determina punctul maxim de putere, punctul care maximizează V × I; adică sarcina pentru care celula poate furniza putere electrică maximă la acel nivel de iradiere. (Puterea de ieșire este zero atât în scurtcircuit, cât și în circuitul deschis).
O celulă solară de siliciu monocristalin de înaltă calitate, la temperatura celulei de 25 ° C, poate produce 0,60 V circuit deschis (VOC) . Temperatura celulei în plin soare, chiar și cu temperatura aerului de 25 ° C, va fi probabil aproape de 45 ° C, reducând tensiunea în circuit deschis la 0,55 V per celulă. Tensiunea scade modest, cu acest tip de celulă, până când curentul de scurtcircuit este abordat (ISC). Puterea maximă (cu temperatura celulei de 45 ° C) este produsă de obicei cu 75% până la 80% din tensiunea în circuit deschis (0,43 V în acest caz) și 90% din curentul de scurtcircuit. Această ieșire poate fi de până la 70% din produsul VOC x ISC. Curentul de scurtcircuit (ISC) de la o celulă este aproape proporțional cu iluminarea, în timp ce tensiunea în circuit deschis (VOC) poate scădea doar 10% cu o scădere de 80% a iluminării. Celulele de calitate inferioară au o scădere mai rapidă a tensiunii cu creșterea curentului și ar putea produce doar 1/2 VOC la 1/2 ISC. Astfel, puterea utilizabilă ar putea scădea de la 70% din produsul VOC x ISC la 50% sau chiar la doar 25%. Furnizorii care evaluează „puterea” celulei lor solare doar ca VOC x ISC, fără a da curbe de sarcină, își pot distorsiona grav performanțele reale.
Punctul maxim de putere al unui fotovoltaic variază în funcție de iluminarea incidentă. De exemplu, acumularea de praf pe panourile fotovoltaice reduce punctul maxim de putere. Pentru sistemele suficient de mari pentru a justifica cheltuielile suplimentare, un tracker de punct de putere maxim urmărește puterea instantanee măsurând continuu tensiunea și curentul (și, prin urmare, transferul de putere) și folosește aceste informații pentru a regla dinamic sarcina, astfel încât puterea maximă să fie întotdeauna transferată , indiferent de variația iluminării.
Fill factorEdit
Un alt termen definitoriu în comportamentul general al unei celule solare este factorul de umplere (FF). Acest factor este o măsură a calității unei celule solare. Aceasta este puterea disponibilă la punctul de putere maxim (Pm) împărțit la tensiunea în circuit deschis (VOC) și curentul de scurtcircuit (ISC):
FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ESTE C . {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ times I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ times A_ {c} \ times G} {V_ {OC} \ ori I_ {SC}}}.}
Factorul de umplere poate fi reprezentat grafic prin măturarea IV, unde este raportul diferitelor zone dreptunghiulare.
Factorul de umplere este direct afectat de valorile seriei celulei, rezistențele de șunt și pierderile diodelor. Creșterea rezistenței la șunt (Rsh) și scăderea rezistenței seriei (Rs) conduc la un factor de umplere mai mare, rezultând astfel o eficiență mai mare și aducând puterea de ieșire a celulei mai aproape de maximul său teoretic.
Factorii tipici de umplere variază de la 50% la 82%. Factorul de umplere pentru o celulă PV normală din siliciu este de 80%.