الخلايا الكهروضوئية المركزة
الكفاءة

وفقًا للنظرية ، تسمح خصائص أشباه الموصلات للخلايا الشمسية بالعمل بكفاءة أكبر في الضوء المركّز أكثر مما تفعل في ظل المستوى الاسمي للإشعاع الشمسي . هذا لأنه ، إلى جانب الزيادة النسبية في التيار المتولد ، يحدث أيضًا تحسين لوغاريتمي في جهد التشغيل ، استجابةً للإضاءة الأعلى.
للتوضيح ، ضع في اعتبارك الطاقة P التي تولدها خلية شمسية تحت إضاءة "شمس واحدة" على سطح الأرض ، والتي تتوافق مع ذروة إشعاع شمسي Q = 1000 ;( واط / متر 2 . يمكن التعبير عن طاقة الخلية كدالة لجهد الدائرة المفتوحة (V oc ) ، وتيار الدائرة القصيرة (I sc ) ، وعامل التعبئة (FF) لمنحنى التيار والجهد (IV) المميز للخلية:
عند زيادة إضاءة الخلية عند "χ-suns" ، المقابلة للتركيز (χ) والإشعاع (Q) ، يمكن التعبير عن ذلك بالمعادلة:
حيث ، كما هو موضح بالإشارة:
لاحظ أن عامل التعبئة بدون وحدة لخلية شمسية "عالية الجودة" يتراوح عادةً بين 0.75 و 0.9 ويمكن ، عمليًا ، الاعتماد بشكل أساسي على التحويل المكافئ والمقاومة المتسلسلة لبناء خلية معينة. بالنسبة لتطبيقات المكثف ، يجب أن يكون لدى FF و FF χ قيم متشابهة قريبة من الوحدة ، تتوافق مع مقاومة تحويل عالية ومقاومة سلسلة منخفضة جدًا (<1 ملي أوم).
تُعرَّف كفاءات خلية المنطقة (أ) تحت شمس واحدة وبيت شموس على أنها:
ثم تُعطى الكفاءة تحت التركيز من حيث χ وخصائص الخلية على النحو التالي:
حيث مصطلح kT / q هو الجهد (يسمى الجهد الحراري ) لمجموعة من الإلكترونات الحرارية - مثل تلك التي تتدفق عبر وصلة pn للخلية الشمسية - ولها قيمة تبلغ حوالي 25.85 في درجة حرارة الغرفة ( 300 ).
تم سرد تحسين الكفاءة η بالنسبة إلى η في الجدول التالي لمجموعة من الفولتية النموذجية للدائرة المفتوحة التي تمثل تقريبًا تقنيات الخلايا المختلفة. يوضح الجدول أن التحسين يمكن أن يصل إلى 20-30٪ عند χ=1000 تركيز. يفترض الحساب أن FF χ / FF = 1 ؛ افتراض تم توضيحه في المناقشة التالية.
| خلية    </br> تكنولوجيا> تقريبي    </br> تقاطع V oc | متعدد الكريستال    </br> السيليكون> 550 مللي فولت | أحادي البلورة    </br> السيليكون> 700 ملي فولت | تقاطع ثلاثي    </br> III-V على GaAs> 850 ميغا فولت |
| --- | --- | --- | --- |
| χ = 10 | 10.8٪ | 8.5٪ | 7.0٪ |
| χ = 100 | 21.6٪ | 17.0٪ | 14.0٪ |
| χ = 1000 | 32.5٪ | 25.5٪ | 21.0٪ |
: 
في الممارسة العملية ، قد تكون الكثافة الحالية ودرجات الحرارة العالية التي تنشأ تحت تركيز ضوء الشمس صعبة لمنع تدهور خصائص IV للخلية أو ، الأسوأ من ذلك ، التسبب في ضرر مادي دائم. يمكن أن تقلل هذه التأثيرات النسبة FF χ / FF بنسبة أكبر حتى أقل من الوحدة من القيم المجدولة الموضحة أعلاه. لمنع حدوث ضرر لا يمكن إصلاحه ، يجب التحكم في ارتفاع درجة حرارة تشغيل الخلية تحت التركيز باستخدام المشتت الحراري المناسب. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن يشتمل تصميم الخلية نفسه على ميزات تقلل إعادة التركيب ومقاومة التلامس والقطب الكهربي وقضيب التوصيل إلى المستويات التي تستوعب التركيز المستهدف وكثافة التيار الناتج. وتشمل هذه الميزات طبقات رقيقة وأشباه الموصلات منخفضة العيوب ؛ سميكة ومنخفضة المقاومة الكهربائية والمواد بسبار ؛ وصغيرة (عادةً <1 سم 2 ) أحجام الخلايا.
بما في ذلك هذه الميزات ، فإن أفضل الخلايا الكهروضوئية متعددة الوصلات ذات الأغشية الرقيقة التي تم تطويرها لتطبيقات الأنظمة الفولت ضوئية المركزة الأرضية تحقق تشغيلًا موثوقًا بتركيزات تصل إلى 500-1000 شمس (أي إشعاعات من 50-100) واتس / سم 2 ). اعتبارًا من عام 2014 ، زادت كفاءاتهم بنسبة 44 ٪ (ثلاثة تقاطعات) ، مع إمكانية الاقتراب من 50 ٪ (أربعة تقاطعات أو أكثر) في السنوات القادمة. تقترب كفاءة الحد النظرية تحت التركيز من 65٪ لـ 5 وصلات ، وهو الحد الأقصى العملي المحتمل.