eficiență

A fost calculată pentru prima dată de William Shockley și Hans Queisser în 1961. Eficiența conversiei energiei unei celule solare este procentul de putere transformat din lumina soarelui în energie electrică în „condiții standard de testare” (STC). Condițiile STC se apropie de amiaza solară la echinocțiile de primăvară și toamnă din Statele Unite continentale, cu suprafața celulei solare îndreptată direct spre soare.

Calculul modern SQ Limit este o eficiență maximă de 33% pentru orice tip de celulă solară cu o singură joncțiune. Calculul inițial realizat de Shockley și Queisser a fost de 30% pentru o celulă solară din siliciu. Eficiența actuală a producției de celule solare variază în funcție de spațiul de bandă al materialului semiconductor așa cum se arată în stânga. Consultați pagina Junctions & Band Gaps.

Cea mai bună eficiență modernă a celulei de siliciu din producție este de 24% la nivelul celulei și 20% la nivelul modulului, după cum a raportat SunPower în martie 2012. Într-un laborator, eficiența record a celulelor solare este deținută de Universitatea din New South Wales în Sydney, Australia la 25%.

Există o serie de ipoteze asociate cu SQ Limit care limitează aplicabilitatea sa generală la toate tipurile de celule solare. Deși există numeroase programe în desfășurare pentru a găsi modalități în jurul limitei SQ, aceasta este încă aplicabilă pentru 99,9% din celulele solare de pe piață astăzi. Top

Ipotezele critice ale limitei SQ:

  • Un material semiconductor (cu excepția materialelor dopante) per celulă solară.
  • O joncțiune p/n per celulă solară.
  • Lumina soarelui nu este concentrată - o sursă „un singur soare”.
  • Toată energia este convertită în căldură din fotoni mai mari decât intervalul de bandă.

Unde se duc 67% din pierderea de energie?

  • 47% din energia solară se transformă în căldură.
  • 18% din fotoni trec prin celula solară.
  • 02% din energie se pierde din recombinarea locală a găurilor și electronilor nou creați.
  • 33% din energia soarelui este transformată teoretic în electricitate.
  • 100% energie totală a soarelui.

Dacă limita teoretică pentru celulele de siliciu este de aproximativ 30%, ce se întâmplă cu celelalte 6% care se pierd din cea mai bună eficiență a celulei de producție de 24%? O parte din lumina soarelui este întotdeauna reflectată de pe suprafața celulei, chiar dacă suprafața este de obicei texturizată și acoperită cu un strat antireflex. În plus, există unele pierderi la joncțiunea celulei de siliciu cu contactele electrice care transportă curentul la sarcină. În cele din urmă, există unele pierderi datorate impurităților de fabricație din siliciu. Top

Ce unde electromagnetice sunt absorbite de o celulă solară?

În stânga este prezentat spectrul complet de radiații electromagnetice. Undele radio lungi din dreapta sunt cele mai slabe. Cele mai puternice raze (raze gamma) sunt foarte scurte și în stânga.

Pentru ca un electron semiconductor să se deplaseze într-un circuit de sarcină externă, nivelul său de energie trebuie crescut de la nivelul său normal de valență (strâns legat de un atom) la nivelul său mai înalt de conducere a energiei (liber să se miște). Cantitatea de energie care o crește la nivelul superior se numește energie „band gap”. Consultați pagina Junctions & Band Gaps.

Doar fotonii cu cel puțin energia de bandă vor putea elibera electroni pentru a crea un curent. Fotonii lumina soarelui cu energie mai mică decât banda interioară vor trece pur și simplu prin celula solară. Puneți în termeni de radiație, toți fotonii din spectrul vizibil sunt suficient de puternici pentru a determina electronii să sară între distanța de bandă.

Unele infraroșii, toate cuptoarele cu microunde și toate undele radio nu au suficientă energie și trec direct prin celula solară.

În graficul „Distribuția energiei solare” din stânga, numai fotonii de culoare muștar pot fi „absorbiți” și pot crea electricitate într-o celulă de siliciu cristalină. Absorbția radiației electromagnetice este procesul prin care energia unui foton din soare este transformată în alte forme de energie, de exemplu, electricitate sau căldură.

Lungimile de undă de culoare roșie nu au suficientă energie, iar cele galbene au prea multă energie. Lungimile de undă galbene sunt absorbite și generează electricitate, dar o mare parte din energia lor este pierdută. Acest lucru se datorează faptului că fotonii cu exces de energie de bandă generează un electron liber și o gaură, dar energia lor suplimentară se disipează sub formă de căldură.

Razele X și razele Gamma au doar prea multă energie pentru a fi absorbite deloc. Zona muștarului este practic o imagine a limitei SQ aplicată siliciului, așa cum au calculat-o Shockley și Queisser în 1961. Sus

Strategii pentru a depăși limita SQ:

Practic, strategiile pentru a obține eficiențe mai bune decât prezice limita SQ sunt de a rezolva una sau mai multe dintre ipotezele critice enumerate mai sus (și prezentate din nou mai jos).

1) Un material semiconductor (cu excepția materialelor dopante) per celulă solară.

Utilizați mai multe materiale semiconductoare într-o celulă.

2) O joncțiune P/N per celulă solară.

Folosiți mai multe joncțiuni într-o celulă - „celule tandem”.

3) Lumina soarelui nu este concentrată - o sursă „un singur soare”.

Lumina soarelui poate fi concentrată de aproximativ 500 de ori folosind lentile ieftine.

4) Toată energia este convertită în căldură din fotoni mai mari decât intervalul de bandă.

Combinați un semiconductor PV cu o tehnologie bazată pe căldură pentru a recolta ambele forme de energie și/sau

Folosiți „puncte cuantice” pentru a recolta o parte din excesul de energie fotonică pentru electricitate.

Strategii 1) și 2) Celule solare cu mai multe joncțiuni - "Celule tandem"

Cea mai timpurie și mai frecventă lucrare în jurul limitei SQ a fost utilizarea mai multor joncțiuni p/n, fiecare reglată la o frecvență diferită a spectrului solar. Deoarece lumina soarelui va reacționa puternic numai cu golurile benzii aproximativ cu aceeași lățime ca lungimea lor de undă, straturile superioare sunt foarte subțiri, astfel încât acestea sunt aproape transparente până la lungimi de undă mai lungi. Acest lucru permite joncțiunilor să fie stivuite, straturile capturând cele mai scurte lungimi de undă deasupra și fotonii cu lungime de undă mai lungă trecând prin straturile inferioare.

Exemplul unei celule cu mai multe joncțiuni din stânga are o celulă superioară de fosfură de galiu indiu, apoi o „joncțiune diodă tunel” și o celulă inferioară de arsenidă de galiu. Joncțiunea tunelului permite electronilor să curgă între celule și menține câmpurile electrice ale celor două celule separate. Majoritatea cercetărilor de astăzi în celulele cu joncțiune multiplă se concentrează pe arsenidul de galiu ca una dintre celulele componente, deoarece are un decalaj de bandă foarte dorit. Efectuarea unui calcul folosind metodologia SQ; o celulă cu două straturi poate atinge o eficiență teoretică maximă de 42% și celule cu trei straturi 49%.

Recordul pentru o celulă multi-joncțiune a fost deținut de Universitatea din New South Wales (UNSW) din Sydney, Australia la 43% folosind o abordare în tandem cu cinci celule. Cu toate acestea, celula tandem UNSW este foarte scumpă. În plus față de problema costurilor, există și alte constrângeri care fac complexul celulelor tandem. De exemplu, toate straturile trebuie să fie compatibile între ele în structura lor cristalină și curenții din fiecare celulă individuală trebuie să se potrivească cu celelalte celule. Celulele cu joncțiuni multiple sunt utilizate comercial numai în aplicații speciale, deoarece cheltuielile lor depășesc în prezent orice îmbunătățire a eficienței. În acest moment, acestea sunt utilizate în spațiul în care greutatea este cea mai importantă și în sistemele fotovoltaice concentrate, unde lumina soarelui este concentrată pe o zonă foarte mică a celulei, necesitând doar cantități mici de semiconductori per celulă. Top

Strategia 3) Concentrați lumina soarelui

PhotoVoltaics concentrat (CPV), în care lumina soarelui este concentrată pe o celulă solară mică de lentile pentru a genera mai multă energie pe unitate de suprafață, a fost un favorit timpuriu pentru creșterea eficienței solare. Principala atracție a CPV este aceea că poate folosi producția modestă de energie electrică a celulei „cu un singur soar” la o producție la scară mult mai mare utilizând o concentrație optică relativ simplă și ieftină.

În locul unei celule solare tipice de 6 inci cu 6 inci, un obiectiv Fresnel din plastic pătrat de 7 inci cu 7 inci (pronunțat Fray-NELL) care încorporează fațete circulare, este folosit pentru a focaliza lumina soarelui așa cum se arată în stânga. O mică celulă solară multi-joncțiune eficientă cu 39% este montată la punctul focal care convertește energia soarelui în electricitate. Eficiențele celulare viitoare se așteaptă să se apropie de 50%. Lentila Fresnel concentrează energia soarelui de aproximativ 500 de ori intensitatea normală. O serie de lentile Fresnel sunt fabricate ca o singură piesă de plastic. Micile celule solare sunt montate pe o placă de susținere în locații corespunzătoare punctului de focalizare al fiecărei lentile Fresnel. Sute de lentile alcătuiesc un panou solar montat pe un heliostat de urmărire solară. Cu o „eficiență a modulului” ridicată de 31%, sistemele CPV ocupă mai puțin teren decât sistemele fotovoltaice tradiționale, nu folosesc apă și sunt ideale pentru zonele de deșert. Vezi discuția Amonix.

În ciuda avantajelor de concentrare, CPV a încetinit să câștige cota de piață. În timp ce micile celule solare utilizează mai puține materiale scumpe din semiconductori, costul este un factor, deoarece un heliostat de urmărire a soarelui pe două axe este necesar pentru a menține cu precizie punctul de focalizare pe celula solară, pe măsură ce soarele călătorește spre est spre vest în fiecare zi și spre nord și sud. în fiecare sezon. CPV nu se descurcă bine în climatul înnorat, deoarece lumina solară difuză nu se concentrează bine. În plus, heliostatele mari nu sunt potrivite pentru instalațiile mici care au constituit curentul principal al pieței fotovoltaice recente. Astăzi, costurile CPV sunt foarte competitive și CPV beneficiază de cererea tot mai mare de centrale solare de dimensiuni mari, în special în zonele deșertice din California, Arizona, Spania și Australia. Top

Strategia 4a) Combinați o celulă PV cu tehnologia bazată pe căldură (PETE)

Strategia 4b) Punctele cuantice absorb energia excesivă a fotonilor

Într-o celulă solară obișnuită, fiecare coliziune de fotoni generează o pereche de particule constând dintr-o gaură liberă și un electron liber. Punctele cuantice sunt „nanocristale” extrem de mici (denumirile sunt folosite oarecum interschimbabil) intercalate într-un material semiconductor mai mare. Punctele cuantice (QD) variază între 1 și 20 nanometri ca dimensiune (un nanometru este o miliardime de metru). Vedeți cele două imagini de la MIT din stânga.

Semiconductorii la această dimensiune au proprietăți fizice diferite de frații lor mari. Atunci când fotonii cu energie mai mare decât intervalul de bandă, energia se ciocnește cu un punct cuantic, se pot crea mai multe perechi de găuri/electroni „fierbinți”, spre deosebire de o pereche și căldură. Deși siliciul poate fi folosit ca nanocristal, selenura de plumb (PbSE), de asemenea, un semiconductor, este utilizată mai frecvent ca material la alegere.

O altă caracteristică a unui punct cuantic este că dimensiunile diferite captează diferite lungimi de undă ale luminii. Punctele mici captează lungimi de undă mici și punctele mai mari lungimi de undă mai mari. Unii cercetători și-au dat seama cum să stivuiți punctele de la mic la mare pentru a capta mai multă energie fotonică, similar cu modul în care funcționează celulele tandem (a se vedea strategia una/două de mai sus) .


Odată ce un electron fierbinte este creat în interiorul unui punct cuantic, acesta își întinde durata de viață de 1000 de ori înainte de a se răci. Electronilor le place să rămână în interiorul QD. Una dintre provocări a fost să ne dăm seama cum să extragem electronii fierbinți din QD-uri. Nici o celulă solară produsă înainte de decembrie 2011 nu are eficiențe cuantice mai mari de 100%.

Eficiența cuantică (care nu trebuie confundată cu eficiența celulelor solare) la Laboratorul Național de Energie Regenerabilă (NREL) situat în Boulder, Colorado, este „raportul dintre purtătorii de sarcină colectați (electroni sau găuri de electroni) și fotonii incidenți”. În termeni simpli - este raportul dintre numărul de electroni produși într-o celulă solară și numărul de fotoni ai soarelui care lovesc celula.

Cercetătorii de la NREL au raportat o eficiență cuantică de 114% în celulele solare „excitate” din fotoni din regiunea cu energie ridicată a spectrului solar. Aceasta este de la ultravioletul apropiat prin spectrul luminii vizibile - 350 până la 700 nanometri. Vedeți graficul spectrului de soare de mai sus.

Energia este întotdeauna conservată. Electronii suplimentari provin din energia suplimentară rămasă după coliziunea inițială foton-electron. Undele luminoase sub 700 nanometri nu au suficientă energie pentru a disloca mai mult de o pereche de găuri electronice.

NREL a obținut acest rezultat cu un punct cuantic cuantic „celulă experimentală” compusă dintr-o suprafață de sticlă antireflexivă, un strat subțire de oxid de zinc semiconductor „texturat” la nivel nano, un strat QD de selenură de plumb dopat cu etaneditol (o legătură agent) și hidrazină (un stabilizator de depunere) și un strat subțire de aur pentru electrodul colector.

Acest proces, care creează mai multe perechi electron-gaură dintr-un singur foton, este numit „generație de excitoni multipli” (MEG) de către NREL.

Afișată în stânga este o funcție de undă electronică într-un punct cuantic (adică probabilitatea ca un electron să se afle într-o anumită locație la un moment dat - violetul este o probabilitate scăzută și albul este o probabilitate mare).

Se consideră că limita superioară practică pentru celulele solare cu „film subțire” este de aproximativ 20%. Se consideră că limita superioară folosind Quantum Dots este de aproximativ 30%. Trebuie subliniat faptul că cercetarea cu privire la punctele cuantice se află într-un stadiu foarte simplu de demonstrare a principiilor științifice. Nimeni nu a realizat în acest moment o celulă solară Quantum Dot de pre-producție. Se crede că producția de celule solare folosind Quantum Dots va avea aproximativ 10 ani în viitor.