Limite de eficiență solară
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.