Faktorerna som påverkar energiomvandlingseffektiviteten redovisades i ett landmärke av William Shockley och Hans Queisser 1961. Se Shockley – Queisser-gränsen för mer detaljer.
Termodynamisk effektivitetsgräns och oändlig stackgräns Redigera
Shockley – Queisser-gränsen för effektiviteten hos en solcell med en enda korsning under okoncentrerat solljus vid 273 K. Denna beräknade kurva använder faktiska solspektrumdata, och därför är kurvan vickig från IR-absorptionsband i atmosfären. Denna effektivitetsgräns på ~ 34% kan överskridas av solceller med flera funktioner.
Om man har en värmekälla vid temperaturen Ts och kallare kylfläns vid temperaturen Tc, är det maximala teoretiskt möjligt värde för arbetsförhållandet (eller eleffekt) som erhållits till den tillförda värmen är 1-Tc / Ts, ges av en Carnot-värmemotor. Om vi tar 6000 K för solens temperatur och 300 K för omgivande förhållanden på jorden, blir detta 95%. 1981 visade Alexis de Vos och Herman Pauwels att detta kan uppnås med en stapel med ett oändligt antal celler med bandgap som sträcker sig från oändlighet (de första cellerna som möter de inkommande fotonerna) till noll, med en spänning i varje cell mycket nära till den öppna kretsspänningen, lika med 95% av cellens bandgap, och med 6000 K svartkroppsstrålning från alla håll. Den därmed uppnådda 95% effektiviteten innebär emellertid att den elektriska effekten är 95% av den absorberade ljusmängden – stapeln avger strålning eftersom den inte har noll temperatur, och denna strålning måste subtraheras från den inkommande strålningen vid beräkning av mängden värme som överförs och effektiviteten. De ansåg också det mer relevanta problemet med att maximera uteffekten för en stack som belyses från alla håll av 6000 K svartkroppsstrålning. I detta fall måste spänningarna sänkas till mindre än 95% av bandgapet (procentsatsen är inte konstant över alla celler). Den maximala teoretiska verkningsgraden beräknas är 86,8% för en stapel med ett oändligt antal celler med den inkommande koncentrerade solljusstrålningen. När den inkommande strålningen bara kommer från ett område på himlen som solens storlek sjunker effektivitetsgränsen till 68,7%.
Ultimate efficiencyEdit
Normala solcellssystem har dock bara en p –Korsning och är därför föremål för en lägre effektivitetsgräns, kallad ”ultimativ effektivitet” av Shockley och Queisser. Fotoner med en energi under absorbatormaterialets bandgap kan inte generera ett elektronhålspar, så deras energi omvandlas inte till användbar effekt och genererar bara värme om den absorberas. För fotoner med en energi över bandgapsenergin kan endast en bråkdel av energin över bandgapet omvandlas till användbar utgång. När en foton med större energi absorberas omvandlas överskottet av energi över bandgapet till kinetisk energi hos bärarkombinationen. Överskottet av den kinetiska energin omvandlas till värme genom fononinteraktioner då den kinetiska energin hos bärarna saktar ner till jämviktshastighet. Traditionella celler med en enda korsning med ett optimalt bandgap för solspektrumet har en maximal teoretisk effektivitet på 33,16%, Shockley – Queisser-gränsen.
Solceller med flera bandavstånd absorberande material förbättrar effektiviteten genom att dela sol spektrum i mindre soptunnor där den termodynamiska effektivitetsgränsen är högre för varje fack.
Quantum efficiencyEdit
Som beskrivs ovan, när en foton absorberas av en solcell kan den producera ett elektronhålspar. En av transportörerna kan nå p – n-korsningen och bidra till strömmen som produceras av solcellen; en sådan bärare sägs samlas in. Eller, bärarna rekombinerar utan nettobidrag till cellström.
Kvanteffektivitet avser procentandelen fotoner som omvandlas till elektrisk ström (dvs. samlade bärare) när cellen drivs under kortslutningsförhållanden. Den ”externa” kvanteffektiviteten hos en kiselsolcell inkluderar effekten av optiska förluster såsom transmission och reflektion.
Speciellt kan vissa åtgärder vidtas för att minska dessa förluster. Reflektionsförlusterna, som kan stå för upp till 10% av den totala infallsenergin, kan minskas dramatiskt med en teknik som kallas texturisering, en ljusfångningsmetod som modifierar den genomsnittliga ljusvägen.
Kvanteffektivitet är mest användbart uttryckt som en spektral mätning (det vill säga som en funktion av fotonvåglängden eller energin). Eftersom vissa våglängder absorberas mer effektivt än andra kan spektrala mätningar av kvanteffektivitet ge värdefull information om kvaliteten på halvledarmassan och ytorna.Kvanteffektiviteten ensam är inte densamma som den totala energiomvandlingseffektiviteten, eftersom den inte förmedlar information om den bråkdel av kraft som omvandlas av solcellen.
Maximal effektpunkt Redigera
Damm ackumuleras ofta på glaset av solmoduler – markeras i denna negativa bild som svarta prickar – vilket minskar mängden ljus som tillförs solenergi celler
En solcell kan arbeta över ett brett spektrum av spänningar (V) och strömmar (I). Genom att öka den resistiva belastningen på en bestrålad cell kontinuerligt från noll (en kortslutning) till ett mycket högt värde (en öppen krets) kan man bestämma den maximala effektpunkten, den punkt som maximerar V × I; det vill säga den belastning för vilken cellen kan leverera maximal elektrisk effekt vid den strålningsnivån. (Utgångseffekten är noll i både kortslutning och öppen krets).
En högkvalitativ, monokristallin kiselsolcell, vid 25 ° C celltemperatur, kan producera 0,60 V öppen krets (VOC) . Celltemperaturen i fullt solljus, även med 25 ° C lufttemperatur, kommer troligen att vara nära 45 ° C, vilket minskar den öppna kretsspänningen till 0,55 V per cell. Spänningen sjunker blygsamt, med denna typ av cell, tills kortslutningsströmmen närmar sig (ISC). Maximal effekt (med 45 ° C celltemperatur) produceras vanligtvis med 75% till 80% av den öppna kretsspänningen (0,43 V i detta fall) och 90% av kortslutningsströmmen. Denna produktion kan vara upp till 70% av VOC x ISC-produkten. Kortslutningsströmmen (ISC) från en cell är nästan proportionell mot belysningen, medan den öppna kretsspänningen (VOC) kanske bara sjunker 10% med 80% minskning av belysningen. Celler med lägre kvalitet har ett snabbare spänningsfall med ökande ström och kan bara producera 1/2 VOC vid 1/2 ISC. Den användbara effekten kan alltså sjunka från 70% av VOC x ISC-produkten till 50% eller till och med så lite som 25%. Leverantörer som endast betygsätter sin solcells ”effekt” som VOC x ISC, utan att ge belastningskurvor, kan allvarligt snedvrida deras faktiska prestanda.
Solens maximala effektpunkt varierar med infallande belysning. Till exempel minskar ackumulering av damm på solcellspaneler den maximala effektpunkten. För system som är tillräckligt stora för att motivera den extra kostnaden spårar en maximal power point tracker den momentana effekten genom att kontinuerligt mäta spänningen och strömmen (och därmed kraftöverföringen) och använder denna information för att dynamiskt justera belastningen så att maximal effekt alltid överförs , oavsett variationen i belysning.
FyllningsfaktorRedigera
En annan definierande term i en solcells övergripande beteende är fyllningsfaktorn (FF). Denna faktor är ett mått på en solcells kvalitet. Detta är den tillgängliga effekten vid maximal effektpunkt (Pm) dividerat med öppen kretsspänning (VOC) och kortslutningsström (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} \ gånger I_ {SC}}}.}
Fyllningsfaktorn kan representeras grafiskt med IV-svep, där det är förhållandet mellan de olika rektangulära områdena.
Fyllningsfaktorn påverkas direkt av värden för cellens serie, shuntmotstånd och diodförluster. Att öka shuntmotståndet (Rsh) och minska seriemotståndet (Rs) leder till en högre fyllningsfaktor, vilket resulterar i högre effektivitet och ger cellens uteffekt närmare det teoretiska maximumet.
Typiska fyllningsfaktorer varierar från 50% till 82%. Fyllningsfaktorn för en vanlig PV-cell av kisel är 80%.