فتوولتائیک متمرکز
بازده

طبق تئوری ، ویژگی های نیمه رسانا به سلول های خورشیدی اجازه می دهد تا در نور متمرکز کارایی بیشتری نسبت به سطح تابش خورشید داشته باشند. دلیل این امر این است که ، همراه با افزایش متناسب جریان تولید شده ، در صورت وجود روشنایی بالاتر ، یک ولتاژ کارایی باروندلگاریتمی نیز رخ می دهد.
صریحاً توان (P) تولید شده توسط سلول خورشیدی تحت تابش "یک خورشید" در سطح زمین را در نظر بگیرید ، که مربوط به اوج تابش خورشید Q = 1000 وات در متر مربع است. توان سلول را می توان تابعی از ولتاژ مدار باز (Voc) ، جریان اتصال کوتاه (Isc) و ضریب پر شدن (FF) منحنی جریان ولتاژ (I-V) سلول مشخص کرد:
{\displaystyle P=I_{\mathrm {sc} }\times V_{\mathrm {oc} }\times FF.}
با افزایش روشنایی سلول در "χ-خورشید" ، مربوط به غلظت (χ) و تابش (χQ) ، می توان به طور مشابه بیان کرد:
{\displaystyle P_{\chi }=I_{\mathrm {\chi sc} }\times V_{\mathrm {\chi oc} }\times FF_{\chi }}
{\displaystyle I_{\mathrm {\chi sc} }=\chi \times I_{\mathrm {sc} }\quad }and{\displaystyle \quad V_{\mathrm {\chi oc} }=V_{\mathrm {oc} }+{kT \over q}\ln(\chi ).}{\displaystyle \quad V_{\mathrm {\chi oc} }=V_{\mathrm {oc} }+{kT \over q}\ln(\chi ).}
توجه داشته باشید که ضریب پر شدن واحد برای یک سلول خورشیدی "با کیفیت بالا" به طور معمول 0.75-0.9 است و در عمل می تواند عمدتاً به مقاومتهای سریت و شناور معادل آن برای ساختار سلول خاص بستگی داشته باشد. برای کاربردهای متمرکز کننده ، FF و FFχ باید مقادیر مشابهی داشته باشند که هر دو نزدیک به وحدت باشند ، مربوط به مقاومت در برابر شنت بالا و مقاومت سری بسیار کم (<1 میلی آمپر) باشد.
بازده سلول های منطقه (A) در زیر یک خورشید و χ خورشید به شرح زیر است:
{\displaystyle \eta ={P \over QA}\quad }and{\displaystyle \quad \eta _{\chi }={P_{\chi } \over \chi QA}.}{\displaystyle \quad \eta _{\chi }={P_{\chi } \over \chi QA}.}
بازده تحت غلظت از نظر χ و ویژگی های سلول به شرح زیر است:
{\displaystyle \eta _{\chi }=\eta \times {P_{\chi } \over \chi P}=\eta \times \left({1+{kT \over q}}{\ln(\chi ) \over V_{\mathrm {oc} }}\right)\times \left({FF_{\chi } \over FF}\right),}
که در آن اصطلاح kT / q ولتاژ (به نام ولتاژ حرارتی) جمعیت گرم شده الکترونها است - مانند آنچه از محل اتصال p-n سلول خورشیدی جریان دارد - و در دمای اتاق (300 K) حدود 25.85 میلی ولت ولتاژ دارد.
| اتصال سه گانه III-V در GaAs> 850mV | سیلیکون تک کریستالی> 700mV | سیلیکون چند کریستالی> 550mV | فناوری سلول> تقاطع تقریبی Voc |
| --- | --- | --- | --- |
| 7.0% | 8.5% | 10.8% | X=10 |
| 14.0% | 17.0% | 21.6% | X=100 |
| 21.0% | 25.5% | 32.5% | X=1000 |
افزایش کارایی ηχ نسبت به η در جدول زیر برای مجموعه ای از ولتاژهای مدار باز باز که تقریباً نمایانگر فناوری های مختلف سلول هستند ، ذکر شده است. جدول نشان می دهد که افزایش می تواند در غلظت χ = 1000 تا 30-20٪ باشد. محاسبه فرض می کند FFχ / FF = 1 ؛ فرضی که در بحث زیر روشن شد.
در عمل ، چگالی و دمای بالاتر جریان که تحت غلظت نور خورشید بوجود می آیند ممکن است چالش برانگیز باشد تا از تخریب خصوصیات I-V سلول جلوگیری کند یا بدتر از آن ، باعث آسیب دائمی فیزیکی شود. چنین تأثیراتی می تواند نسبت FFχ / FF را حتی با درصد بیشتر از واحد نسبت به مقادیر جدول بندی شده در بالا کاهش دهد. برای جلوگیری از آسیب برگشت ناپذیر ، افزایش دمای عملکرد سلول تحت غلظت باید با استفاده از یک مخزن گرم مناسب کنترل شود. علاوه بر این ، طراحی سلول خود باید دارای ویژگی هایی باشد که باعث کاهش ترکیب مجدد و مقاومت در برابر تماس ، الکترود و شینه به سطوحی می شود که غلظت هدف و تراکم جریان حاصل را در خود جای دهد. این ویژگی ها شامل لایه های نیمه هادی نازک و کم نقص است. الکترود ضخیم ، با مقاومت کم و مواد شینه؛ و اندازه سلولهای کوچک (معمولاً <1 سانتی متر مربع).
از جمله این ویژگی ها ، بهترین سلول های فتوولتائیک چند اتصالی فیلم نازک ایجاد شده برای کاربردهای CPV زمینی ، عملکرد قابل اطمینان را در غلظت های 500-1000 خورشید (یعنی تابش های 50-100 وات بر سانتی متر مربع) به دست می آورند. از سال 2014 ، بازده آنها بالاتر از 44٪ (سه اتصال) است ، با احتمال نزدیک شدن به 50٪ (چهار اتصال یا بیشتر) در سالهای آینده. [29] بهره وری محدود کننده نظری تحت غلظت برای 5 اتصال به 65٪ نزدیک می شود ، که حداکثر عملی است.