Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

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. [ необходима цитата ]

Влияние ширины запрещенной зоны [ править ]

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 выше 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. [1]

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. [2] Термодинамические пределы таких ячеек (также называемых многопереходными ячейками или тандемными ячейками) могут быть проанализированы с помощью онлайн-симулятора в nanoHUB. [3]

Пределы эффективности для различных технологий солнечных батарей [ править ]

Пределы термодинамической эффективности для различных технологий солнечных элементов следующие:

  • Одиночные переходы ≈ 33%
  • 3-элементные стеки и нечистые 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 с шириной запрещенной зоны 2 эВ ≈ 50,7% [4]

Предел термодинамической эффективности для экситонных солнечных элементов [ править ]

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 за счет связанных и промежуточных экситонных состояний, в отличие от неорганических и кристаллических солнечных элементов. Эффективность экситонных солнечных элементов и неорганических солнечных элементов (с меньшей энергией связи экситонов) [5] не может превышать 31%, как объяснили Шокли и Квайссер. [6]

Пределы термодинамической эффективности с умножением несущих [ править ]

Умножение носителей облегчает генерацию нескольких 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%. Такие высокие значения эффективности возможны только тогда, когда солнечные элементы используют излучательную рекомбинацию и умножение носителей. [7]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Наноструктурированный органический солнечный элемент" (PDF) . me.berkeley.edu . Проверено 22 июля 2011 .
  2. ↑ Cheng-Hsiao Wu и Ричард Уильямс (1983). «Предельная эффективность для квантовых устройств с множественной запрещенной зоной». J. Appl. Phys . 54 (11): 6721. Bibcode : 1983JAP .... 54.6721W . DOI : 10.1063 / 1.331859 .
  3. ^ "nanoHUB.org - Ресурсы: PVLimits: Калькулятор термодинамических пределов PV" . nanohub.org . Проверено 12 июня 2016 .
  4. ^ «Оценка технологий преобразования солнечной энергии и исследовательских возможностей» (PDF) . gcep.stanford.edu . Проверено 22 июля 2011 .
  5. ^ Гибинк, Ноэль С.; Wiederrecht, Gary P .; Василевски, Майкл Р .; Форрест, Стивен Р. (май 2011 г.). «Предел термодинамической эффективности экситонных солнечных элементов» . Physical Review B . 83 (19): 195326. Bibcode : 2011PhRvB..83s5326G . DOI : 10.1103 / PhysRevB.83.195326 .
  6. ^ Шокли, Уильям; Queisser, Ханс Дж. (1961). «Подробный предел баланса эффективности солнечных элементов p-n-перехода» . Журнал прикладной физики . Американский институт физики. 32 (3): 510–519. Bibcode : 1961JAP .... 32..510S . DOI : 10.1063 / 1.1736034 . Проверено 22 июля 2011 .
  7. ^ Брендель, Рольф; Werner, Jürgen H .; Queisser, Ханс Дж. (1996). «Пределы термодинамической эффективности для полупроводниковых солнечных элементов с умножением носителей» . Материалы солнечной энергии и солнечные элементы . Эльзевир. 41–42: 419–425. DOI : 10.1016 / 0927-0248 (95) 00125-5 . ISSN 0927-0248 . Проверено 22 июля 2011 .