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Solareffizienz

Solareffizienz

Wir definieren den Wirkungsgrad von Photovoltaikzellen nach dem Anteil der Sonnenenergie, die durch Photovoltaik in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Effizienz von Photovoltaikzellen ist eines der Elemente, die die Produktion einer Photovoltaik-Solaranlage bestimmen. Die anderen Faktoren, die die Leistung einer Solaranlage bestimmen, sind die Breite und das Klima.

Der Umwandlungswirkungsgrad einer Photovoltaikzelle hängt von mehreren Faktoren ab. Wenn wir uns auf den Umwandlungswirkungsgrad beziehen, beziehen wir uns implizit auf den thermodynamischen Wirkungsgrad, den Abscheidungswirkungsgrad des Ladungsträgers, den Reflexionsgradwirkungsgrad und die Werte des Leitungswirkungsgrades. Da diese Parameter nur schwer direkt zu messen sind, werden stattdessen andere Parameter gemessen, darunter die Quanteneffizienz, das Leerlaufspannungsverhältnis und der Füllfaktor.

Technische Methoden zur Verbesserung der Solareffizienz

Strahlungskühlung

Für jeden Grad Celsius, der die Temperatur der photovoltaischen Solarzelle erhöht, sinkt der Solarwirkungsgrad um 0,45%. Um die Abnahme des Solarwirkungsgrades durch Erhitzen zu vermeiden, kann eine Schicht aus transparentem Quarzglas auf ein Photovoltaik-Solarmodul aufgebracht werden. Die Quarzglasschicht wirkt wie ein schwarzer Thermalkörper, der Wärme in Form von Infrarotstrahlung in den Weltraum abgibt. Mit dieser Aktion können Sie die Temperatur der Photovoltaikzelle auf bis zu 13 Grad Celsius senken.

Förderung der Lichtstreuung im sichtbaren Spektrum

Durch die Beschichtung der Lichtempfangsfläche der Zelle mit nanometergroßen Metallpolen kann die Effizienz der Zelle wesentlich erhöht werden, da die Sonnenstrahlung in diesen Polen unter einem schrägen Winkel zur Zelle reflektiert wird. Diese Richtungsänderung führt zu einer Verlängerung des Weges, den das Licht durch die Solarzelle nimmt. Folglich erhöht die Zunahme des Weges die Anzahl der von der Zelle absorbierten Photonen und auch die Menge des erzeugten Gleichstroms.

Die wichtigsten Materialien für Nano-Stollen sind Silber, Gold und Aluminium, um nur einige zu nennen. Aluminium kann die Effizienz der Zelle (unter Laborbedingungen) auf bis zu 22% steigern. Aluminium absorbiert dagegen nur ultraviolette Strahlung und reflektiert sowohl sichtbares als auch infrarotes Licht, so dass der Energieverlust auf dieser Vorderseite minimiert wird.

Gold und Silber sind jedoch nicht sehr effizient, da sie einen großen Teil des Lichts im sichtbaren Spektrum absorbieren, das den größten Teil der im Sonnenlicht vorhandenen Energie enthält, wodurch die Sonnenstrahlung verringert wird Fotozelle

Wählen Sie den optimalen transparenten Leiter

Die beleuchtete Seite einiger Arten von Solarzellen, die dünnen Filme, haben einen transparenten leitfähigen Film, durch den Licht in das aktive Material eindringen und die erzeugten Ladungsträger sammeln kann.

Im Allgemeinen werden zu diesem Zweck Filme mit hoher Durchlässigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit wie Indium- und Zinnoxid, leitfähige Polymere oder leitfähige Nanodrahtnetzwerke verwendet. Es besteht ein Kompromiss zwischen hoher Durchlässigkeit und elektrischer Leitfähigkeit, daher muss die optimale Dichte der leitfähigen Nanodrähte oder die Struktur des leitfähigen Netzwerks so gewählt werden, dass eine hohe Effizienz erreicht wird.

Antireflektierende Beschichtungen und Texturen

Antireflektierende Beschichtungen können zu zerstörerischen Interferenzen von auf die Sonne einfallenden Lichtwellen führen. Daher würde das gesamte Sonnenlicht auf die Photovoltaikanlage übertragen.

Eine weitere Technik zur Verringerung der Reflexion ist die Texturierung, bei der die Oberfläche einer Solarzelle so verändert wird, dass das reflektierte Licht wieder auf die Oberfläche trifft. Diese Oberflächen können durch Gravieren oder durch Lithographie erstellt werden. Durch das Hinzufügen einer flachen Rückfläche zusätzlich zur Texturierung der Vorderfläche wird das Licht in der Zelle für einen längeren optischen Weg eingefangen.

Dünnschichtmaterialien

Dünnschichtmaterialien sind im Hinblick auf niedrige Kosten und Anpassungsfähigkeit an vorhandene Strukturen und Strukturen in der Technologie eine sehr gute Option für Photovoltaikzellen.

Da die Materialien jedoch so dünn sind, fehlt ihnen die optische Absorption, die Solarzellen von Schüttgut haben. Während versucht wurde, dieses Problem zu korrigieren, ist das Wichtigste die Konzentration auf die Rekombination der Oberfläche des dünnen Films.

Da dies der dominante Rekombinationsprozess von nanoskaligen Dünnschichtsolarzellen ist, ist dies für die Solareffizienz von entscheidender Bedeutung. Das Hinzufügen einer dünnen Passivierungsschicht aus Siliziumdioxid könnte die Rekombination reduzieren.

Passivierung der Rückseite

Während bei der Massenproduktion von Solarenergie an der Vorderseite von Photovoltaikzellen viele Verbesserungen vorgenommen wurden, verlangsamt die Aluminiumrückseite die Effizienzverbesserungen.

Die Effizienz vieler Solarzellen hat von der Schaffung sogenannter passiver und passiver emittierender Zellen profitiert. Die chemische Abscheidung eines Stapels dielektrischer Passivierungsschichten der Rückseite, die ebenfalls aus einem dünnen Film aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid besteht, der mit einem Siliziumnitridfilm bedeckt ist, trägt zur Verbesserung der Effizienz der Siliziumsolarzellen bei mehr als 1%

Dies trägt dazu bei, den Wirkungsgrad der Zelle für das kommerzielle Cz-Si-Wafermaterial um 20,2% und den Wirkungsgrad der Zelle für fast Mono-Si auf einen Rekordwert von 19,9% zu erhöhen.

Faktoren, die die Energieumwandlungseffizienz beeinflussen

Um die Faktoren zu analysieren, die die Sonneneffizienz beeinflussen, können wir auf Energiefaktoren verweisen, die die Energieumwandlungseffizienz beeinflussen, die William Shockley und Hans Queisser in einem historischen Artikel von 1961 vorgestellt haben.

Füllfaktor

Ein weiterer bestimmender Begriff im allgemeinen Verhalten einer Solarzelle ist der Füllfaktor. Dieser Faktor ist ein Maß für die Qualität einer Solarzelle. Dies ist die Leistung, die am maximalen Leistungspunkt verfügbar ist, geteilt durch die Leerlaufspannung und den Kurzschlussstrom.

Der Füllfaktor wird direkt durch Zellreihenwerte, Bypass-Widerstände und Diodenverluste beeinflusst. Die Erhöhung des Widerstandes des Shunts und die Verringerung des Serienwiderstandes führen zu einem höheren Füllfaktor, was zu einer höheren Effizienz führt und die Ausgangsleistung der Zelle ihrem theoretischen Maximum nähert.

Typische Füllfaktoren liegen zwischen 50% und 82%. Der Füllfaktor für eine normale Silizium-Photovoltaikzelle beträgt 80%.

Grenze der thermodynamischen Effizienz und Grenze des unendlichen Haufens

Wenn man bei der Temperatur Ts eine Wärmequelle und bei der Temperatur Tc einen kühleren Kühlkörper hat, ist der theoretisch maximal mögliche Wert für das Arbeitsverhältnis (oder die elektrische Leistung), das aus der zugeführten Wärme erhalten wird, 1 Tc / Ts, gegeben durch einen thermischen Motor von Carnot.

Wenn wir 6000 Kelvin für die Temperatur der Sonne und 300 Kelvin für die Umweltbedingungen auf der Erde nehmen, erreichen wir 95%. Alexis de Vos und Herman Pauwels zeigten 1981, dass dies mit einem Stapel von unendlich vielen Zellen mit Bandintervallen von unendlich (die ersten von den eingehenden Photonen gefundenen Zellen) bis zu null mit einer Spannung in erreicht werden kann Jede Zelle liegt sehr nahe an der Leerlaufspannung, dies entspricht 95% des Bandbereichs dieser Zelle, und 6000 Kelvin Schwarzkörperstrahlung kommt aus allen Richtungen.

Maximaler Leistungspunkt

Eine Solarzelle kann in einem weiten Bereich von Spannungen (V) und Stromstärken (I) arbeiten. Durch Erhöhen der Widerstandslast in einer Zelle, die kontinuierlich von Null (Kurzschluss) auf einen sehr hohen Wert (einen offenen Stromkreis) bestrahlt wird, kann der Punkt maximaler Leistung bestimmt werden, der Punkt, der V × I maximiert; das heißt, die Last, für die die Zelle bei diesem Strahlungsniveau die maximale elektrische Leistung bereitstellen kann.

Der maximale Leistungspunkt einer Photovoltaik variiert mit der einfallenden Beleuchtung. Zum Beispiel verringert die Ansammlung von Staub in Photovoltaik-Paneelen den Punkt der maximalen Leistung. Bei Systemen, die groß genug sind, um den zusätzlichen Aufwand zu rechtfertigen, verfolgt ein Tracker mit maximalem Leistungspunkt die momentane Leistung durch kontinuierliches Messen der Spannung und des Stroms (und damit der Leistungsübertragung) und verwendet diese Informationen zur dynamischen Anpassung die Last, so dass die maximale Leistung unabhängig von der Beleuchtungsänderung immer übertragen wird.

Maximale Effizienz

Normale Photovoltaikanlagen haben jedoch nur einen pn-Übergang und unterliegen daher einer unteren Wirkungsgradgrenze, die von Shockley und Queisser als "maximaler Wirkungsgrad" bezeichnet wird. Photonen mit einer Energie unterhalb der Bandlücke des absorbierenden Materials können kein Paar von Elektronenlöchern erzeugen, so dass ihre Energie keine nützliche Leistung darstellt und nur Wärme erzeugt, wenn sie absorbiert wird. Für Photonen mit einer Energie oberhalb des Energiebandes kann nur ein Bruchteil der Energie oberhalb des Bandes in eine nutzbare Leistung umgewandelt werden. Wenn ein Photon mit höherer Energie absorbiert wird, wird die überschüssige Energie der Bande aus der Trägerkombination in kinetische Energie umgewandelt. Die überschüssige kinetische Energie wird durch das Phonon in Wärme umgewandelt. Wechselwirkungen als kinetische Energie der Träger nehmen bei Gleichgewichtsgeschwindigkeit ab. Traditionelle Single-Junction-Zellen mit einer optimalen Bandbreite für das Sonnenspektrum haben einen maximalen theoretischen Wirkungsgrad von 33,16%, die Shockley-Queisser-Grenze.

Solarzellen mit absorbierenden Materialien mit Mehrfachbandabscheidung verbessern die Effizienz, indem das Sonnenspektrum in kleinere Ablagerungen aufgeteilt wird, wobei die Grenze der thermodynamischen Effizienz für jeden Behälter größer ist.

Quanteneffizienz

Wenn ein Photon von einer photovoltaischen Solarzelle absorbiert wird, kann es ein Paar von Elektronenlöchern erzeugen. Einer der Transporter kann den pn-Übergang erreichen und zu dem von der Solarzelle erzeugten Strom beitragen. Man sagt, dass ein solcher Träger abgeholt wird. Oder die Träger rekombinieren ohne einen Nettobeitrag zum zellularen Strom.

Die Quanteneffizienz bezieht sich auf den Prozentsatz der Photonen, die zu elektrischem Strom werden (dh geerntete Ladungsträger), wenn die Zelle unter Kurzschlussbedingungen betrieben wird. Die "externe" Quanteneffizienz einer Siliziumsolarzelle beinhaltet den Effekt von optischen Verlusten wie Transmission und Reflexion.

Insbesondere können Maßnahmen ergriffen werden, um diese Verluste zu reduzieren. Reflexionsverluste, die bis zu 10% der gesamten einfallenden Energie ausmachen können, können drastisch reduziert werden, indem eine als Texturierung bezeichnete Technik verwendet wird, eine Methode des Lichteinfangs, die den durchschnittlichen Lichtweg verändert.

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Geändert am: 8. Februar 2019

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