Güneş Hücresi Verimliliği

Bir fotovoltaik sistemde kullanılan güneş hücrelerinin verimliliği, enlem ve iklim ile birlikte, sistemin yıllık enerji çıktısını belirler. Örneğin, % 20 verimliliğe ve 1 m2 alana sahip bir güneş paneli,1000 W/m2 Standart Test Koşulu altında günde 2,74 saat güneş ışınımına maruz kalırsa, Standart Test Koşullarında 200 kWh / yıl enerji üretecektir. Genellikle güneş panelleri belirli bir günde bundan daha uzun süre güneş ışığına maruz kalır, ancak güneş ışınımı günün büyük bir kısmında 1000W/m2'den azdır. Bir güneş paneli, güneş gökyüzünde yüksekte olduğunda ışık daha dik açıyla ulaştığı için daha fazla enerji üretebilirken, bulutlu havalarda veya güneş gökyüzünde ufuk çizgilerine yakınken daha az enerji üretir. Güneş kış aylarında gökyüzünde konum olarak daha alçaktadır. Yılda 2000 kWh/m2 güneş ışığı alan Colorado merkezi gibi yüksek verimli bir güneş sahasında böyle bir panelin yılda 400 kWh enerji üretmesi beklenebilir. Ancak, yalnızca 1400kWh/m2/yıl enerji alan Michigan'da , aynı panel için yıllık enerji verimi 280 kWh'ye düşecektir. Aynı şekilde daha kuzeydeki Avrupa enlemlerinde, verim önemli ölçüde daha düşüktür: Örneğin Güney İngiltere'de aynı koşullar altında 175kWh yıllık enerji verimi sağlanabilir.

Yansıtma oranı, termodinamik verimlilik, yük taşıyıcı ayırma verimliliği, yük taşıyıcı toplama verimliliği ve iletim verimliliği değerleri dahil olmak üzere bir hücrenin dönüşüm verimliliği değerini etkileyen birkaç faktör vardır. Bu parametrelerin doğrudan ölçülmesi zor olabileceğinden, bunun yerine kuantum verimliliği, açık devre voltajı (VOC ) oranı ve doldurma faktörü (aşağıda açıklanmıştır) hususları kullanılır. Yansıtma kayıpları, "harici kuantum verimliliğini" etkiledikleri için kuantum verimlilik değeri ile açıklanır. Rekombinasyon (yarı iletkende serbest elektronların deşiklerle birleşmesi) kayıpları, kuantum verimliliği, VOC oranı ve doldurma faktörü- - değerleri ile açıklanır.

Dirençli kayıplar ağırlıklı olarak doldurma faktörü- - değeriyle hesaplanır, ancak aynı zamanda kuantum verimliliği ve VOC oranı değerlerine de katkıda bulunur. 2019'da, Golden, Colorado, ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'nda geliştirilen çok bağlantılı yoğunlaştırıcı güneş hücreleri kullanılarak % 47,1 ile güneş hücresi verimliliği sağlanarak o döneme ait dünya rekoru elde edildi. Bu, polikristal fotovoltaik veya ince film güneş hücresi için standart % 37,0 değerinin üzerindedir.

Enerji dönüşüm verimliliğini etkileyen faktörler, 1961'de William Shockley ve Hans Queisser tarafından bir dönüm noktası niteliğindeki makalede açıklanmıştır Daha fazla ayrıntı için Shockley – Queisser sınırı konusuna bakınız.

Ts sıcaklıklarında bir ısı kaynağı ve Tc sıcaklığında daha soğuk soğutucu varsa, elde edilen işin (veya elektrik gücünün) sağlanan ısıya oranı için teorik olarak mümkün olan maksimum değer, Carnot ısı motoru tarafından verilen 1-Tc / Ts'dir. Güneşin sıcaklığı için 6000 K, yeryüzündeki ortam koşulları için 300 K alırsak bu değer % 95'e gelir. 1981, Alexis de Vos ve Herman Pauwels, bunun sonsuzdan sıfıra değişen bant boşlukları, bu hücrenin bant aralığının % 95'ine eşit olan sonsuz sayıda hücre (gelen fotonların karşılaştığı ilk hücreler-her hücrede açık devre voltajına çok yakın bir voltaj ile) yığınıyla ve 6000 K kara cisim radyasyonunun her yönden gelmesiyle elde edilebileceğini gösterdi. Bununla birlikte, bu şekilde elde edilen % 95 verimlilik, elektrik gücünün emilen net ışık miktarının % 95'i olduğu anlamına gelir - yığın, sıfır olmayan bir sıcaklığa sahip olduğu için radyasyon yayar ve bu radyasyon değeri, aktarılan ısı miktarı ve verimlilik hesaplanırken gelen radyasyondan çıkarılmalıdır. Ayrıca 6000K kara cisim ışımasıyla (radyasyonuyla) her yönden aydınlatılan bir yığının güç çıkışını en üst düzeye çıkarma sorununu daha alakalı olarak değerlendirdiler. Bu durumda, voltajlar bant aralığının% 95'inin altına düşürülmelidir (yüzde tüm hücrelerde sabit değildir). Hesaplanan maksimum teorik verimlilik, gelen yoğun güneş ışığı radyasyonu kullanılarak sonsuz sayıda hücre yığını için % 86,8'dir. Gelen radyasyon yalnızca gökyüzünün güneşin büyüklüğündeki bir bölgesinden geldiğinde, verimlilik sınırı% 68,7'ye düşer.

Normal fotovoltaik sistemler ancak bir p – n bağlantısına sahiptir ve bu nedenle Shockley ve Queisser tarafından "nihai verimlilik" olarak adlandırılan daha düşük bir verimlilik sınırına tabidir. Emici malzemenin bant aralığının altında bir enerjiye sahip olan fotonlar, bir elektron deliği çifti oluşturamazlar, bu nedenle, enerjileri yararlı çıktıya dönüştürülmez ve yalnızca absorbe edilirse ısı üretir. Bant aralığı enerjisinin üzerinde bir enerjiye sahip fotonlar için, bant aralığının üzerindeki enerjinin yalnızca bir kısmı faydalı çıktıya dönüştürülebilir. Daha büyük enerjiye sahip bir foton absorbe edildiğinde, bant aralığının üzerindeki fazla enerji, taşıyıcı kombinasyonunun kinetik enerjisine dönüştürülür. Taşıyıcıların kinetik enerjisi denge hızına yavaşladıkça, fazla kinetik enerji fonon etkileşimleri yoluyla ısıya dönüştürülür. Güneş spektrumu için optimum bant aralığına sahip geleneksel tek bağlantılı (single-junction) hücreler , Shockley – Queisser limiti olan% 33.16'lık bir maksimum teorik verime sahiptir.

Çok bantlı boşluk emici malzemelere sahip güneş hücreleri, güneş spektrumunu, her bir bölme için termodinamik verimlilik sınırının daha yüksek olduğu daha küçük bölmelere bölerek verimliliği artırır.

Yukarıda açıklandığı gibi, bir foton bir güneş hücresi tarafından absorbe edildiğinde bir elektron deliği çifti üretebilir. Bozonlardan (taşıyıcı) biri biri p-n bağlantısına ulaşabilir ve güneş hücresi tarafından üretilen akıma katkıda bulunabilir; böyle bir taşıyıcının collected olduğu söylenebilir. Veya taşıyıcılar, hücre akımına hiçbir net katkı olmaksızın yeniden rekombine olurlar.

Kuantum verimliliği, hücre kısa devre koşulları altında çalıştırıldığında elektrik akımına (collected carriers) dönüştürülen fotonların yüzdesini ifade eder. Bir silisyum güneş hücresinin "harici" kuantum verimliliği, iletim ve yansıma gibi optik kayıpların etkisini içerir.

Özellikle bu kayıpları azaltmak için bazı önlemler alınabilir. Toplam gelen enerjinin % 10'unu oluşturabilen yansıma kayıpları, ortalama ışık yolunu modifiye eden bir ışık yakalama yöntemi olan tekstüre etme (dokulama) adı verilen bir teknik kullanılarak önemli ölçüde azaltılabilir.

Kuantum verimliliği, en kullanışlı şekilde spektral bir ölçüm olarak ifade edilir (yani, foton dalga boyu veya enerjinin bir fonksiyonu olarak). Bazı dalga boyları diğerlerinden daha etkili bir şekilde absorbe edildiğinden, kuantum verimliliğinin spektral ölçümleri, yarı iletken yığın ve yüzeylerin kalitesi hakkında değerli bilgiler verebilir. Tek başına kuantum verimliliği, güneş hücresi tarafından dönüştürülen gücün fraksiyonu hakkında bilgi vermediğinden, genel enerji dönüştürme verimliliği ile aynı şey değildir.

Bir güneş hücresi, çok çeşitli voltajlar (V) ve akımlar (I) üzerinde çalışabilir. Işınlanmış bir hücre üzerindeki direnç yükünü sürekli olarak sıfırdan (kısa devre) çok yüksek bir değere (açık devre) artırarak, maksimum güç noktası, V × I'i maksimize eden nokta belirlenebilir; yani hücrenin o ışınımlama (irraditation) seviyesinde maksimum elektrik gücü sağlayabileceği yük. (Çıkış gücü hem kısa devrede hem de aşırı açık devrede sıfırdır).

Bir güneş hücresinin maksimum güç noktası, içsel sıcaklığından etkilenir. Belirli bir güneş hücresinin teknik verilerinin bilinmesi, belirli bir sıcaklıktaki güç çıkışı ile elde edilebilir. , burada standart test koşulunda üretilen güçtür; güneş hücresinin gerçek sıcaklığıdır.

25 °C hücre sıcaklığında yüksek kaliteli, tek kristalli silikon güneş hücresi, 0,60 V açık devre (VOC) üretebilir. Hücre sıcaklığıi tam güneş ışığında , 25 °C hava sıcaklığında bile muhtemelen 45 °C'ye yakın olacak ve açık devre voltajı hücre başına 0,55 V'a kadar düşürecektir. Kısa devre akımına (ISC) yaklaşılana kadar, bu tür bir hücrede voltaj mütevazı bir şekilde düşer. Maksimum güç (45 °C hücre sıcaklığında) tipik olarak açık devre voltajının % 75 ila% 80'i (bu durumda 0,43 V) ve kısa devre akımının% 90'ı ile üretilir. Bu çıktı, VOC x ISC çarpımının% 70'ine kadar olabilir. Bir hücreden gelen kısa devre akımı (ISC) aydınlatma ile neredeyse orantılıyken, açık devre voltajı (VOC) aydınlatmada % 80 düşüşle yalnızca % 10 düşebilir. Düşük kaliteli hücreler, artan akımla daha hızlı bir voltaj düşüşüne sahiptir ve 1/2 ISC'de yalnızca 1/2 VOC üretebilir. Dolayısıyla kullanılabilir güç çıkışı, V OC x I SC çarpımı sonucunun % 70'inden % 50'ye veya hatta % 25'e kadar düşebilir. Yük eğrileri vermeden güneş hücresi "gücünü" yalnızca VOC x I SC olarak derecelendiren üreticiler, gerçek performanslarını ciddi şekilde bozabilir.

Bir fotovoltaik cihazın maksimum güç noktası, gelen aydınlatmaya göre değişir. Örneğin, fotovoltaik paneller üzerinde biriken toz, maksimum güç noktasını azaltır. Ekstra masrafı karşılayacak kadar büyük sistemler için, bir maksimum güç noktası izleyici, voltajı ve akımı (ve dolayısıyla güç aktarımını) sürekli olarak ölçerek anlık gücü izler ve bu bilgiyi, aydınlatmadaki değişiklikten bağımsız olarak, yükü dinamik olarak  ayarlamak için kullanır, böylece maksimum güç her zaman aktarılır.

Doldurma faktörü, hücre serisinin değerlerinden, şönt dirençlerinden ve diyot kayıplarından doğrudan etkilenir. Şönt direncinin (Rsh) arttırılması ve seri direncin (Rs) azaltılması, daha yüksek bir doldurma faktörüne yol açar, böylece daha fazla verimlilik sağlar ve hücrenin çıkış gücünü teorik olarak maksimum değerine yaklaştırır.

Enerji dönüşüm verimliliği, elektrik çıktısının gelen ışık gücüne bölünmesiyle ölçülür. Çıktıyı etkileyen faktörler arasında spektral dağılım, gücün uzamsal dağılımı, sıcaklık ve dirençli yük bulunur. IEC standardı 61215, hücrelerin performansını karşılaştırmak için kullanılır ve standart (karasal, ılıman) sıcaklık ve koşullar (STC) etrafında tasarlanmıştır: ışık şiddeti 1 kW / m 2 1,5 AM (hava kütlesi ) yoluyla güneş radyasyonuna yakın bir spektral dağılım ve hücre sıcaklığı 25 °C esas alınır. Dirençli yük, pik veya maksimum güç noktası (MPP) elde edilene kadar değiştirilir. Bu noktadaki güç Watt-pik (Wp) olarak kaydedilir. FV modüllerinin gücünü ve verimliliğini ölçmek için de yine aynı standart kullanılır.

Hava kütlesi enerji çıktısını etkiler. Atmosferin olmadığı uzayda, güneşin ışık spektrumu nispeten filtrelenmez. Bununla birlikte, yeryüzünde hava, gelen ışığı filtreler ve güneş spektrumunu değiştirir. Filtreleme etkisi , uzayda Hava Kütlesi 0 (AM 0) ile Dünya üzerindeki yaklaşık Hava Kütlesi 1,5 arasında değişir. Spektral farklılıkların, söz konusu güneş hücresinin kuantum verimliliği ile çarpılması, verimliliği sağlar. Karasal verimlilikler tipik olarak uzay verimliliğinden daha fazladır. Örneğin, uzaydaki bir silisyum güneş hücresi, AM0'da % 14, yeryüzünde AM1,5'de % 16'lık bir verime sahip olabilir. Bununla birlikte, uzayda gelen fotonların sayısının önemli ölçüde daha fazla olduğunun altı çizilmelidir, bu nedenle güneş hücresi, yakalanan toplam gelen enerjinin azaltılmış yüzdesi ile yukarıda gösterilen daha düşük verime rağmen, uzayda önemli ölçüde daha fazla güç üretebilir.

Güneş hücresi verimliliği, amorf silisyum bazlı güneş hücreleri için % 6'dan çok bağlantılı üretim hücrelerinde % 44.0'a ve hibrit pakete monte edilmiş çoklu kalıplarda % 44.4'e kadar değişmektedir. Ticari olarak temin edilebilen çok kristalli Si güneş hücreleri için güneş hücresi enerji dönüştürme verimlilikleri yaklaşık % 14-19'dur. En yüksek verimli hücreler her zaman en ekonomik olanlar olmamıştır - örneğin, düşük hacimde üretilen galyum arsenid veya indiyum selenid gibi egzotik materyallere dayalı % 30 verimli çok bağlantılı bir hücre, % 8 verimli amorf silisyumdan yüz kat daha pahalı olabilir.

Ancak, güneş enerjisini "artırmanın" bir yolu var. Işık yoğunluğunun artırılmasıyla, tipik olarak fotojenere edilmiş taşıyıcılar artırılarak verimliliği % 15'e kadar artırır. " yoğunlaştırıcı sistemler " adı verilen bu sistemler, yalnızca yüksek verimli GaAs hücrelerinin geliştirilmesinin bir sonucu olarak maliyet açısından rekabetçi hale gelmeye başlamıştır. Yoğunluktaki artış tipik olarak konsantre optikler (lens, mercek vb.) kullanılarak gerçekleştirilir. Tipik bir yoğunlaştırıcı sistemi, güneşin 6–400 katı bir ışık yoğunluğu oluşturabilir ve bir güneş (1-Sun) GaAs hücresinin verimliliğini AM'de 1,5^de % 31'den %35'e çıkarabilir.

Ekonomik maliyetleri ifade etmek için kullanılan yaygın bir yöntem, ortaya çıkan kilovat-saat (kWh) başına bir fiyat hesaplamaktır. Güneş hücresi verimliliği, mevcut ışınımlama ile kombinasyon halinde maliyetler üzerinde büyük bir etkiye sahiptir, ancak genel olarak konuşursak, genel sistem verimliliği önemlidir. Ticari olarak temin edilebilen güneş hücreleri (2021 itibarıyla),% 20 ile 22 arasında sistem verimliliklerine ulaşmıştır.

Katkısız (Dopinglenmemiş) kristal silisyum cihazlar, % 29.43'lük teorik sınır verimliliğine yaklaşmaya başlamıştır. 2017 yılında, hücrenin arkasına hem pozitif hem de negatif temasları yerleştiren amorf silisyum / kristal silisyum hetero bağlantılı hücrede% 26,63 verimlilik elde edilmiştir.

Enerji geri ödeme süresi, modern bir fotovoltaik güneş paneli üretmek için harcanan enerjiyi üretmek için gereken geri kazanım süresi olarak tanımlanır. 2008 yılında, modül türüne ve konumuna bağlı olarak 1 ila 4 yıl arasında olacağı tahmin ediliyordu. 20 ila 30 yıllık standart bir ömürle bu durum, modern güneş hücrelerinin net enerji üreticisi olacağı, yani yaşamları boyunca onları üretirken harcanan enerjiden daha fazla enerji üretecekleri anlamına gelmektedir. Genel olarak, ince film teknolojileri - nispeten düşük dönüştürme verimliliklerine sahip olmalarına rağmen - geleneksel sistemlere göre önemli ölçüde daha kısa enerji geri ödeme süreleri sağlar (genellikle <1 yıl).

2013 yılında mevcut literatürde yayınlanan bir çalışma, enerji geri ödeme sürelerinin ince film hücrelerinde 0.75 ile 3.5 yıl ve çoklu si hücrelerinde 1.5-2.6 yıllık geri ödeme süresine sahip bulunduğunu ortaya koymuştur. 2015 yılında yapılan bir inceleme, güneş fotovoltaiklerinin enerji geri ödeme süresini ve EROI'sini değerlendirmiştir. 1700 kWh / m2 / yıl güneşlenme ve 30 yıllık bir sistem ömrü kullanan bu meta çalışmada, 8,7 ile 34,2 arasında ortalama uyumlaştırılmış EROI'ler bulunmuştur. Ortalama uyumlaştırılmış enerji geri ödeme süresi 1,0 ile 4,1 yıl arasında değişmiştir. Kristal silisyum cihazlar, ortalama olarak 2 yıllık bir enerji geri ödeme süresine ulaşmaktadırlar.

Diğer teknolojiler gibi, güneş hücresi üretimi de karmaşık bir küresel endüstriyel üretim sisteminin varlığına bağlıdır. Bu, tipik olarak üretim enerjisi tahminlerinde hesaba katılan fabrikasyon sistemlerini içerir; koşullu madencilik, arıtma ve küresel ulaşım sistemleri; finans, bilgi ve güvenlik sistemleri dahil olmak üzere diğer enerji yoğun destek sistemleri. Bu tür enerji yükünü ölçmedeki zorluk, geri ödeme sürelerinin herhangi bir tahmininde bazı belirsizlikler yaratır.

Hücrenin ışık alan yüzeyini nano boyutlu metal dikmelerle kaplamak, hücre verimliliğini önemli ölçüde artırabilir. Işık, hücreye eğik bir açıyla bu dikmelerden yansır ve hücre içindeki ışık yolunun uzunluğunu artırır. Bu, hücre tarafından emilen fotonların sayısını ve üretilen akım miktarını artırır.

Nano çiviler (dikmeler) için kullanılan ana malzemeler gümüş, altın ve alüminyumdur . Altın ve gümüş, güneş ışığında bulunan enerjinin çoğunu içeren ve hücreye ulaşan ışık miktarını azaltan görünür spektrumdaki ışığın çoğunu emdikleri için çok verimli değildir. Alüminyum yalnızca ultraviyole radyasyonu emer ve hem görünür hem de kızılötesi ışığı yansıtır, böylece enerji kaybı en aza indirilir. Alüminyum, hücre verimini% 22'ye kadar artırabilir (laboratuvar koşullarında).

Güneş hücresi sıcaklığında yaklaşık 1'lik bir artış °C, yaklaşık% 0,45'lik bir verimlilik düşüşüne neden olur. Bunu önlemek için güneş panellerine şeffaf bir silika kristal katman uygulanabilir. Silika tabakası, uzaya Kızılötesi radyasyon olarak ısı yayan ve hücreyi 13 °C'ye kadar soğutan termal bir siyah cisim görevi görür.

Yansımayı önleyen kaplamalar, güneşten gelen ışık dalgalarının daha yıkıcı müdahalesine neden olabilir. Bu nedenle, tüm güneş ışığı fotovoltaike aktarılacaktır. Yansıyan ışığın tekrar yüzeye çarpması için bir güneş hücresinin yüzeyinin değiştirildiği tekstüre etme, yansımayı azaltmak için kullanılan başka bir tekniktir. Bu yüzeyler aşındırma veya litografi kullanılarak oluşturulabilir. Ön yüzeyin dokulandırılmasına ek olarak düz bir arka yüzeyin eklenmesi, ışığın hücre içinde hapsolmasına yardımcı olarak daha uzun bir optik yol sağlar.

Yüzey pasivasyonu, güneş hücresi verimliliği için kritiktir. Seri üretilen güneş hücrelerinin ön tarafında birçok iyileştirme yapılmasın rağmen, ancak alüminyum arka yüzey verimlilik iyileştirmelerini engellemektedir. Birçok güneş hücresinin verimliliği, pasifleştirilmiş emitör ve arka hücreler (PERC'ler) yaratarak fayda sağlamıştır. Yine bir silikon nitrür filmle kaplı ince bir silika veya alüminyum oksit filmden yapılmış bir arka yüzey dielektrik pasifleştirme tabakası istifinin kimyasal biriktirilmesi, silisyum güneş hücrelerinde verimliliği artırmaya yardımcı olur. Bu durum, ticari Cz-Si yonga plakası (wafer) malzemesi için hücre verimliliğini 2010'ların ortalarında % 17'nin biraz üzerinde bir seviyeden % 21'in üzerine çıkarmaya ve yarı-mono-Si için hücre verimliliğini % 19.9'a rekor bir seviyeye çıkarmaya yardımcı olmuştur.

Silisyum güneş hücreleri için arka yüzey pasivasyonu kavramları, CIGS güneş hücreleri için de uygulanmıştır. Arka yüzey pasivasyonu, verimliliği artırma potansiyelini gösterir. Pasivasyon malzemeleri olarak Al 2 O 3 ve SiO 2 kullanılmıştır. Al 2 O 3 katmanındaki nano boyutlu nokta kontakları ve SiO2 katmanındaki hat kontakları, CIGS emicinin arka elektrot Molibden'e elektriksel bağlantısını sağlar. Al 2 O 3 katmanındaki nokta kontakları, e-beam litografi ile oluşturulur ve SiO 2 katmanındaki çizgi kontakları fotolitografi kullanılarak oluşturulur. Ayrıca, pasivasyon katmanlarının uygulanması CIGS katmanlarının morfolojisini değiştirmez.

İnce film malzemeleri, düşük maliyetler ve teknolojideki mevcut yapılara ve çerçevelere uyarlanabilirlik açısından güneş hücreleri için çok fazla umut vadediyor. Malzemeler çok ince olduğundan, dökme malzeme güneş hücrelerinin optik emiliminden yoksundurlar. Bunu düzeltme girişimleri denenmektedir, daha da önemlisi ince film yüzey rekombinasyonudur. Bu, nano ölçekli ince film güneş hücrelerinin baskın rekombinasyon süreci olduğundan, verimlilikleri için çok önemlidir. Pasifleştirici ince bir silikon dioksit tabakası eklemek, rekombinasyonu azaltabilir.