Термодинамический предел концентрации определяется выражением
Обновлено: 04.10.2024
Предел термодинамической эффективности - это абсолютный максимум теоретически возможной эффективности преобразования солнечного света в электричество . Его значение составляет около 86%, что представляет собой эффективность Чамбадала-Новикова , приближение, связанное с пределом Карно , основанное на температуре фотонов, испускаемых поверхностью Солнца.
СОДЕРЖАНИЕ
Влияние ширины запрещенной зоны
Солнечные элементы работают как устройства квантового преобразования энергии , и поэтому на них распространяется предел термодинамической эффективности. Фотоны с энергией ниже ширины запрещенной зоны материала поглотителя не могут генерировать пары электрон-дырка , поэтому их энергия не преобразуется в полезный выход, а выделяет тепло только при поглощении. Для фотонов с энергией, превышающей энергию запрещенной зоны, только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выходной сигнал. Когда фотон большей энергии поглощается, избыточная энергия выше запрещенной зоны преобразуется в кинетическую энергию от рекомбинации носителей . Избыточная кинетическая энергия преобразуется в тепло посредством фононных взаимодействий, когда кинетическая энергия носителей замедляется до равновесной скорости. Следовательно, солнечная энергия не может быть преобразована в электричество сверх определенного предела.
Солнечные элементы с материалами поглотителя с несколькими запрещенными зонами повышают эффективность за счет разделения солнечного спектра на меньшие ячейки, где предел термодинамической эффективности выше для каждой ячейки. Термодинамические пределы таких ячеек (также называемых многопереходными ячейками или тандемными ячейками) можно анализировать с помощью онлайн-симулятора в nanoHUB.
Пределы эффективности для различных технологий солнечных батарей
Пределы термодинамической эффективности для различных технологий солнечных элементов следующие:
- Одиночные переходы ≈ 33%
- 3-элементные стеки и загрязненные фотоэлектрические модули ≈ 50%
- Устройства на основе горячей ионизации или ударной ионизации ≈ 54-68%
- Коммерческие модули ≈ 12-21%
- Солнечный элемент с повышающим преобразователем для работы в спектре AM1.5 и шириной запрещенной зоны 2 эВ ≈ 50,7%
Предел термодинамической эффективности для экситонных солнечных элементов
Предел Шок-Queisser для эффективности одного соединения солнечного элемента под неконцентрированным солнечным светом. Эта расчетная кривая использует фактические данные солнечного спектра, поэтому кривая извилистая, исходя из полос поглощения инфракрасного излучения в атмосфере. Этот предел эффективности около 34% может быть превышен многопереходными солнечными элементами .Экситонные солнечные элементы генерируют свободный заряд в связанных и промежуточных экситонных состояниях, в отличие от неорганических и кристаллических солнечных элементов. Эффективность экситонных солнечных элементов и неорганических солнечных элементов (с меньшей энергией связи экситонов) не может превышать 31%, как объяснили Шокли и Квайссер.
Пределы термодинамической эффективности с умножением несущих
Умножение носителей облегчает генерацию множества электронно-дырочных пар для каждого поглощенного фотона. Пределы эффективности фотоэлектрических элементов теоретически могут быть выше с учетом термодинамических эффектов. Для солнечного элемента, работающего от неконцентрированного излучения черного тела Солнца , теоретический максимальный КПД составляет 43%, тогда как для солнечного элемента, работающего от полного концентрированного излучения Солнца, предел эффективности составляет до 85%. Эти высокие значения эффективности возможны только тогда, когда солнечные элементы используют излучательную рекомбинацию и умножение носителей.
Читайте также: