Предел термодинамической эффективности

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. ^{[ нужна ссылка ]}

Влияние энергии запрещенной зоны

Солнечные элементы работают как квантовой устройства преобразования энергии и, следовательно, на них распространяется предел термодинамической эффективности. Фотоны с энергией ниже запрещенной зоны материала поглотителя не могут генерировать пару электрон-дырка , поэтому их энергия не преобразуется в полезную продукцию и генерирует тепло только в случае поглощения. Для фотонов с энергией выше энергии запрещенной зоны только часть энергии выше запрещенной зоны может быть преобразована в полезный выходной сигнал. Когда поглощается фотон большей энергии, избыточная энергия над запрещенной зоной преобразуется в кинетическую энергию носителей рекомбинации . 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 за пределами определенного предела. ^[1]

Солнечные элементы с поглощающими материалами с несколькими запрещенными зонами повышают эффективность за счет разделения солнечного спектра на более мелкие ячейки, где предел термодинамической эффективности выше для каждой ячейки. ^[2] Термодинамические пределы таких ячеек (также называемых многопереходными ячейками или тандемными ячейками) можно анализировать с помощью онлайн-симулятора в nanoHUB. ^[3]^[4]

Пределы эффективности различных технологий солнечных батарей

Пределы термодинамической эффективности для различных технологий солнечных элементов следующие:

Одиночные переходы ≈ 33%
3-элементные стопки и нечистые PV ≈ 50%
Устройства на основе горячей или ударной ионизации ≈ 54-68%
Коммерческие модули — ≈ 12-21%
Солнечный элемент с повышающим преобразователем для работы в спектре АМ1,5 и с шириной запрещенной зоны 2эВ ≈ 50,7% ^[5]

Предел термодинамической эффективности экситонных солнечных элементов

Предел Шокли -Кейсера для эффективности однопереходного солнечного элемента при неконцентрированном солнечном свете. Эта расчетная кривая использует фактические данные солнечного спектра, поэтому кривая является волнистой из-за полос ИК-поглощения в атмосфере. Этот предел эффективности около 34% может быть превышен многопереходными солнечными элементами .

Экситонные солнечные элементы генерируют свободный заряд за счет связанных и промежуточных состояний экситонов, в отличие от неорганических и кристаллических солнечных элементов. Эффективность экситонных солнечных элементов и неорганических солнечных элементов (с меньшей энергией связи экситонов) ^[6] не может превышать 31%, как объяснили Шокли и Кейссер. ^[7]

Пределы термодинамической эффективности при умножении носителей

Умножение носителей облегчает генерацию нескольких электронно-дырочных пар для каждого поглощенного фотона. Пределы эффективности фотоэлектрических элементов теоретически могут быть выше, учитывая термодинамические эффекты. Солнца Для солнечного элемента, питаемого неконцентрированным излучением черного тела , теоретический максимальный КПД составляет 43%, тогда как для солнечного элемента, питаемого полностью концентрированным излучением Солнца, предел эффективности составляет до 85%. Такие высокие значения эффективности возможны только тогда, когда в солнечных элементах используется излучательная рекомбинация и умножение носителей. ^[8]

См. также

Ссылки

^ «Наноструктурный органический солнечный элемент» (PDF) . me.berkeley.edu . Проверено 22 июля 2011 г.
^ Ченг-Сяо Ву и Ричард Уильямс (1983). «Ограничение эффективности нескольких квантовых устройств с энергетической запрещенностью». Дж. Прил. Физ . 54 (11): 6721. Бибкод : 1983JAP....54.6721W . дои : 10.1063/1.331859 .
^ Хан, Мохаммад Райан; Цзинь, Синь; Алам, Мухаммад А. (20 марта 2016 г.). «nanoHUB.org – Ресурсы: PVLimits: Калькулятор термодинамических пределов фотоэлектрических модулей» . nanohub.org . Проверено 12 июня 2016 г.
^ «Калькулятор солнечной доходности» (на немецком языке). 14 октября 2022 г.
^ «Оценка технологий преобразования солнечной энергии и возможностей исследований» (PDF) . gcep.stanford.edu . Проверено 22 июля 2011 г.
^ Гибинк, Ноэль К.; Видеррехт, Гэри П.; Василевски, Майкл Р.; Форрест, Стивен Р. (май 2011 г.). «Предел термодинамической эффективности экситонных солнечных элементов» . Физический обзор B . 83 (19): 195326. Бибкод : 2011PhRvB..83s5326G . дои : 10.1103/PhysRevB.83.195326 .
^ Шокли, Уильям; Квайссер, Ханс Дж. (1961). «Подробный балансовый предел эффективности солнечных элементов с pn-переходом» . Журнал прикладной физики . 32 (3). Американский институт физики: 510–519. Бибкод : 1961JAP....32..510S . дои : 10.1063/1.1736034 . Проверено 22 июля 2011 г.
^ Брендель, Рольф; Вернер, Юрген Х.; Квайссер, Ханс Дж. (1996). «Пределы термодинамической эффективности полупроводниковых солнечных элементов с умножением носителей» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 41–42. Эльзевир: 419–425. дои : 10.1016/0927-0248(95)00125-5 . ISSN 0927-0248 . Проверено 22 июля 2011 г.

[1] «Наноструктурный органический солнечный элемент» (PDF) . me.berkeley.edu . Проверено 22 июля 2011 г.

[2] Ченг-Сяо Ву и Ричард Уильямс (1983). «Ограничение эффективности нескольких квантовых устройств с энергетической запрещенностью». Дж. Прил. Физ . 54 (11): 6721. Бибкод : 1983JAP....54.6721W . дои : 10.1063/1.331859 .

[3] Хан, Мохаммад Райан; Цзинь, Синь; Алам, Мухаммад А. (20 марта 2016 г.). «nanoHUB.org – Ресурсы: PVLimits: Калькулятор термодинамических пределов фотоэлектрических модулей» . nanohub.org . Проверено 12 июня 2016 г.

[4] «Калькулятор солнечной доходности» (на немецком языке). 14 октября 2022 г.

[5] «Оценка технологий преобразования солнечной энергии и возможностей исследований» (PDF) . gcep.stanford.edu . Проверено 22 июля 2011 г.

[6] Гибинк, Ноэль К.; Видеррехт, Гэри П.; Василевски, Майкл Р.; Форрест, Стивен Р. (май 2011 г.). «Предел термодинамической эффективности экситонных солнечных элементов» . Физический обзор B . 83 (19): 195326. Бибкод : 2011PhRvB..83s5326G . дои : 10.1103/PhysRevB.83.195326 .

[7] Шокли, Уильям; Квайссер, Ханс Дж. (1961). «Подробный балансовый предел эффективности солнечных элементов с pn-переходом» . Журнал прикладной физики . 32 (3). Американский институт физики: 510–519. Бибкод : 1961JAP....32..510S . дои : 10.1063/1.1736034 . Проверено 22 июля 2011 г.

[8] Брендель, Рольф; Вернер, Юрген Х.; Квайссер, Ханс Дж. (1996). «Пределы термодинамической эффективности полупроводниковых солнечных элементов с умножением носителей» . Материалы для солнечной энергии и солнечные элементы . 41–42. Эльзевир: 419–425. дои : 10.1016/0927-0248(95)00125-5 . ISSN 0927-0248 . Проверено 22 июля 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]