Die Faktoren, die die Energieumwandlungseffizienz beeinflussen, wurden 1961 in einem wegweisenden Artikel von William Shockley und Hans Queisser erläutert. Weitere Informationen finden Sie unter Shockley-Queisser-Grenze.
Thermodynamische Wirkungsgradgrenze und Infinite-Stack-GrenzeEdit
Die Shockley-Queisser-Grenze für den Wirkungsgrad einer Single-Junction-Solarzelle unter nicht konzentriertem Sonnenlicht bei 273 K. Diese berechnete Kurve verwendet tatsächliche Sonnenspektrumsdaten, und daher ist die Kurve aufgrund der IR-Absorptionsbanden in der Atmosphäre wackelig. Diese Wirkungsgradgrenze von ~ 34% kann von Multijunction-Solarzellen überschritten werden.
Wenn eine Wärmequelle bei der Temperatur Ts und ein kühlerer Kühlkörper bei der Temperatur Tc vorhanden sind, ist das Maximum Der theoretisch mögliche Wert für das Verhältnis von Arbeit (oder elektrischer Leistung) zu zugeführter Wärme beträgt 1 Tc / Ts, angegeben von einer Carnot-Wärmekraftmaschine. Wenn wir 6000 K für die Temperatur der Sonne und 300 K für die Umgebungsbedingungen auf der Erde nehmen, ergibt dies 95%. 1981 zeigten Alexis de Vos und Herman Pauwels, dass dies mit einem Stapel einer unendlichen Anzahl von Zellen mit Bandlücken von unendlich (die ersten Zellen, auf die die einfallenden Photonen treffen) bis Null erreichbar ist, wobei die Spannung in jeder Zelle sehr nahe ist auf die Leerlaufspannung, die 95% der Bandlücke dieser Zelle entspricht, und mit 6000 K Schwarzkörperstrahlung aus allen Richtungen. Der dadurch erzielte Wirkungsgrad von 95% bedeutet jedoch, dass die elektrische Leistung 95% der absorbierten Nettolichtmenge beträgt – der Stapel emittiert Strahlung, da er eine Temperatur ungleich Null hat, und diese Strahlung muss bei der Berechnung der Strahlung von der einfallenden Strahlung abgezogen werden Wärmemenge übertragen und die Effizienz. Sie betrachteten auch das relevantere Problem der Maximierung der Leistungsabgabe für einen Stapel, der aus allen Richtungen durch 6000 K Schwarzkörperstrahlung beleuchtet wird. In diesem Fall müssen die Spannungen auf weniger als 95% der Bandlücke gesenkt werden (der Prozentsatz ist nicht über alle Zellen konstant). Der berechnete maximale theoretische Wirkungsgrad beträgt 86,8% für einen Stapel einer unendlichen Anzahl von Zellen unter Verwendung der einfallenden konzentrierten Sonnenlichtstrahlung. Wenn die einfallende Strahlung nur von einem Bereich des Himmels kommt, der so groß wie die Sonne ist, sinkt die Wirkungsgradgrenze auf 68,7%.
Ultimativer WirkungsgradEdit
Normale Photovoltaikanlagen haben jedoch nur einen p –N Kreuzung und unterliegen daher einer unteren Effizienzgrenze, die von Shockley und Queisser als „ultimative Effizienz“ bezeichnet wird. Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des Absorbermaterials können kein Elektron-Loch-Paar erzeugen, so dass ihre Energie nicht in Nutzleistung umgewandelt wird und nur dann Wärme erzeugt, wenn sie absorbiert wird. Für Photonen mit einer Energie über der Bandlückenenergie kann nur ein Bruchteil der Energie über der Bandlücke in eine nützliche Ausgabe umgewandelt werden. Wenn ein Photon mit größerer Energie absorbiert wird, wird die überschüssige Energie über der Bandlücke in kinetische Energie der Trägerkombination umgewandelt. Die überschüssige kinetische Energie wird durch Phononenwechselwirkungen in Wärme umgewandelt, wenn sich die kinetische Energie der Träger auf Gleichgewichtsgeschwindigkeit verlangsamt. Herkömmliche Single-Junction-Zellen mit einer optimalen Bandlücke für das Sonnenspektrum haben einen maximalen theoretischen Wirkungsgrad von 33,16%, der Shockley-Queisser-Grenze.
Solarzellen mit Absorbermaterialien mit mehreren Bandlücken verbessern den Wirkungsgrad durch Teilen der Sonne Spektrum in kleinere Behälter, in denen die thermodynamische Effizienzgrenze für jeden Behälter höher ist.
QuanteneffizienzEdit
Wie oben beschrieben, wenn ein Photon wird von einer Solarzelle absorbiert und kann ein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Einer der Träger kann den pn-Übergang erreichen und zum von der Solarzelle erzeugten Strom beitragen. ein solcher Träger soll abgeholt werden. Oder die Ladungsträger rekombinieren ohne Nettobeitrag zum Zellstrom. Die Quanteneffizienz bezieht sich auf den Prozentsatz der Photonen, die in elektrischen Strom umgewandelt werden (d. H. Gesammelte Ladungsträger), wenn die Zelle unter Kurzschlussbedingungen betrieben wird. Der „externe“ Quantenwirkungsgrad einer Siliziumsolarzelle umfasst den Effekt optischer Verluste wie Transmission und Reflexion. Insbesondere können einige Maßnahmen ergriffen werden, um diese Verluste zu verringern. Die Reflexionsverluste, die bis zu 10% der gesamten einfallenden Energie ausmachen können, können unter Verwendung einer als Texturierung bezeichneten Technik, einer Lichteinfangmethode, die den durchschnittlichen Lichtweg modifiziert, drastisch verringert werden.
Die Quanteneffizienz ist am größten nützlich ausgedrückt als Spektralmessung (dh als Funktion der Photonenwellenlänge oder -energie). Da einige Wellenlängen effektiver absorbiert werden als andere, können spektrale Messungen der Quanteneffizienz wertvolle Informationen über die Qualität der Halbleitermasse und -oberflächen liefern.Die Quanteneffizienz allein entspricht nicht der Gesamtenergieumwandlungseffizienz, da sie keine Informationen über den Anteil der von der Solarzelle umgewandelten Leistung liefert.
Maximaler LeistungspunktEdit
Auf dem Glas von Solarmodulen sammelt sich häufig Staub an – in diesem negativen Bild als schwarze Punkte hervorgehoben -, wodurch die in die Sonne eingelassene Lichtmenge verringert wird Zellen
Eine Solarzelle kann über einen weiten Bereich von Spannungen (V) und Strömen (I) arbeiten. Durch kontinuierliches Erhöhen der ohmschen Last einer bestrahlten Zelle von Null (Kurzschluss) auf einen sehr hohen Wert (Leerlauf) kann der maximale Leistungspunkt bestimmt werden, der Punkt, der V × I maximiert; das heißt, die Last, für die die Zelle bei dieser Bestrahlungsstärke maximale elektrische Leistung liefern kann. (Die Ausgangsleistung ist sowohl im Kurzschluss- als auch im Leerlauf extrem.)
Eine hochwertige monokristalline Siliziumsolarzelle kann bei einer Zelltemperatur von 25 ° C einen Leerlauf von 0,60 V (VOC) erzeugen. . Die Zelltemperatur bei vollem Sonnenlicht wird selbst bei einer Lufttemperatur von 25 ° C wahrscheinlich nahe bei 45 ° C liegen, wodurch die Leerlaufspannung auf 0,55 V pro Zelle reduziert wird. Bei diesem Zelltyp fällt die Spannung leicht ab, bis sich der Kurzschlussstrom nähert (ISC). Die maximale Leistung (bei 45 ° C Zelltemperatur) wird typischerweise mit 75% bis 80% der Leerlaufspannung (in diesem Fall 0,43 V) und 90% des Kurzschlussstroms erzeugt. Diese Ausgabe kann bis zu 70% des VOC x ISC-Produkts betragen. Der Kurzschlussstrom (ISC) von einer Zelle ist nahezu proportional zur Beleuchtung, während die Leerlaufspannung (VOC) bei einem Beleuchtungsabfall von 80% nur um 10% abfallen kann. Zellen mit geringerer Qualität haben mit zunehmendem Strom einen schnelleren Spannungsabfall und können bei 1/2 ISC nur 1/2 VOC erzeugen. Die nutzbare Leistung könnte somit von 70% des VOC x ISC-Produkts auf 50% oder sogar nur 25% fallen. Anbieter, die ihre Solarzellen „Leistung“ nur als VOC x ISC bewerten, ohne Lastkurven anzugeben, können ihre tatsächliche Leistung ernsthaft verzerren.
Der maximale Leistungspunkt einer Photovoltaik variiert mit der einfallenden Beleuchtung. Beispielsweise verringert die Ansammlung von Staub auf Photovoltaikmodulen den maximalen Leistungspunkt. Bei Systemen, die groß genug sind, um die zusätzlichen Kosten zu rechtfertigen, verfolgt ein Punkt-Tracker mit maximaler Leistung die Momentanleistung, indem er kontinuierlich die Spannung und den Strom (und damit die Leistungsübertragung) misst, und verwendet diese Informationen, um die Last dynamisch anzupassen, sodass immer die maximale Leistung übertragen wird , unabhängig von der Variation der Beleuchtung.
FüllfaktorEdit
Ein weiterer definierender Begriff für das Gesamtverhalten einer Solarzelle ist der Füllfaktor (FF). Dieser Faktor ist ein Maß für die Qualität einer Solarzelle. Dies ist die verfügbare Leistung am maximalen Leistungspunkt (Pm) geteilt durch die Leerlaufspannung (VOC) und den Kurzschlussstrom (ISC): FF = P m VOC × ISC = η × A c × GVOC × ISC. {\ displaystyle FF = {\ frac {P_ {m}} {V_ {OC} \ mal I_ {SC}}} = {\ frac {\ eta \ mal A_ {c} \ mal G} {V_ {OC} \ mal I_ {SC}}}.}
Der Füllfaktor kann grafisch durch den IV-Sweep dargestellt werden, wobei es sich um das Verhältnis der verschiedenen rechteckigen Bereiche handelt.
Der Füllfaktor wird direkt von der beeinflusst Werte der Serienreihen, Nebenschlusswiderstände und Diodenverluste der Zelle. Das Erhöhen des Nebenschlusswiderstands (Rsh) und das Verringern des Serienwiderstands (Rs) führen zu einem höheren Füllfaktor, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt und die Ausgangsleistung der Zelle erhöht näher an seinem theoretischen Maximum.
Typische Füllfaktoren liegen zwischen 50% und 82%. Der Füllfaktor für eine normale Silizium-PV-Zelle beträgt 80%