太陽電池効率とは、光電池を介して電気に変換可能な太陽光の一部のエネルギーのことをいう。

太陽光発電システムで使用される太陽電池の効率は、緯度および気候との組み合わせで、システムの年間エネルギー出力を決定する。 例えば、効率20%、面積1m 2の太陽電池パネルは、標準試験条件で200Wを生成しますが、太陽が高い場合はより多く生成し、曇った条件や太陽が空が低い。 5.5kWh / m2 /日(230W / m2)の年間日射を受けるコロラド州では、このようなパネルは年間440kWhのエネルギーを生産することが期待されています。 しかし、3.8 kWh / m2 / dayしか供給されていないミシガン州では、同じパネルの年間エネルギー収量は280 kWhに低下する。 欧州北部の緯度がより北部では、英国南部で年間175キロワット時のエネルギー収率が大幅に低下しています。

セルの変換効率値には、その反射率効率、熱力学的効率、電荷キャリア分離効率、および伝導効率値を含むいくつかの要因が影響する。 これらのパラメータは直接測定することが難しい可能性があるため、量子効率、VOC比、フィルファクタなどの他のパラメータが代わりに測定されます。 反射損失は、「外部量子効率」に影響を及ぼすので、量子効率値によって説明される。 再結合損失は、量子効率、VOC比、およびフィルファクタ値によって説明される。 抵抗損失は、フィルファクタ値によって主に説明されるが、量子効率およびVOC比値にも寄与する。

2014年12月現在、ソーテック、フランスのCEA-Leti、ドイツのフラウンホーファーISEとの共同開発により開発されたマルチジャンクションコンセントレータ太陽電池を使用することにより、太陽電池効率46.0%の世界記録が達成されました。

エネルギー変換効率に影響する要因
エネルギー変換効率に影響を与える要因は、1961年にWilliam ShockleyとHans Queisserによる画期的な論文で解説されています。詳細についてはShockley-Queisserの制限を参照してください。

熱力学的効率限界および無限スタック限界
温度Tsで熱源を有し、温度Tcでより涼しいヒートシンクを有する場合、供給された熱に対する仕事率(または電力)の理論的に可能な最大値は、1-Tc / Tsであり、カルノー熱機関。 太陽の温度で6000K、地球上で300Kを取ると95%になります。 1981年、Alexis de VosとHerman Pauwelsは、無限大(入ってくる光子が遭遇する最初のセル)からゼロまでのバンドギャップを持つ無限の数のセルのスタックで達成可能であることを示し、各セルの電圧は非常に近い開回路電圧まで、そのセルのバンドギャップの95%に等しく、全方向から来る6000Kの黒体放射を伴う。 しかし、これにより達成される95%の効率は、電力が吸収される正味光量の95%であることを意味する。スタックは非ゼロ温度を有するので放射線を放出し、この放射線は入射放射線から差し引かれなければならない伝達される熱の量および効率。 また、6000K黒体放射によってあらゆる方向から照明されたスタックの出力を最大化するというより関連性の高い問題を考慮しました。 この場合、電圧はバンドギャップの95%未満に低下されなければならない(百分率は全セルにわたって一定ではない)。 計算された最大理論効率は、入ってくる集中太陽光線を使用して、無数のセルの積み重ねについて86.8%である。 入射放射線が、太陽のサイズの空の領域からのみ来るとき、効率限界は68.7%に低下する。

究極の効率
しかし、通常の太陽光発電システムはpn接合が1つしかないため、ShockleyとQueisserの「極限効率」と呼ばれる効率の限界が低くなります。 吸収体材料のバンドギャップ以下のエネルギーを有する光子は、電子 – 正孔対を生成することができないので、それらのエネルギーは有用な出力に変換されず、吸収されれば熱を発生するだけである。 バンドギャップエネルギーを超えるエネルギーを有する光子については、バンドギャップを超えるエネルギーの一部のみを有用な出力に変換することができる。 より大きなエネルギーの光子が吸収されると、バンドギャップより上の余分なエネルギーは、キャリアの組み合わせの運動エネルギーに変換される。 余分な運動エネルギーは、キャリアの運動エネルギーが平衡速度まで減速すると、フォノン相互作用によって熱に変換される。 従来のシングルジャンクションセルは最大理論効率が33.16%です。

複数のバンドギャップアブソーバ材料を有する太陽電池は、太陽スペクトルをより小さなビンに分割することによって効率を改善し、各ビンについて熱力学的効率限界がより高い。

量子効率
上述のように、光子が太陽電池に吸収されると、それは電子 – 正孔対を生成することができる。 キャリアの1つは、p-n接合に達し、太陽電池によって生成される電流に寄与する。 そのようなキャリアは収集されていると言われている。 または、キャリアは細胞電流に正味の寄与を伴わずに再結合する。

量子効率とは、セルが短絡条件下で動作しているときに、電流に変換される光子(すなわち、収集されたキャリア)のパーセンテージを指す。 シリコン太陽電池の「外部」量子効率には、透過および反射などの光学損失の影響が含まれる。

特に、これらの損失を減らすためにいくつかの措置を講じることができます。 全入射エネルギーの最大10%を占めることができる反射損失は、平均光路を変更する光捕捉法であるテクスチャライゼーション(textureurization)と呼ばれる技術を用いて劇的に減少させることができる。

量子効率は、スペクトル測定として(すなわち、光子の波長またはエネルギーの関数として)最も有用に表される。 いくつかの波長が他の波長よりも効果的に吸収されるので、量子効率のスペクトル測定は、半導体バルクおよび表面の品質に関する有益な情報をもたらすことができる。 量子効率のみは、太陽電池によって変換される電力の割合に関する情報を伝達しないので、全体のエネルギー変換効率と同じではない。

最大パワーポイント
太陽電池は、広範囲の電圧(V)および電流(I)にわたって動作し得る。 照射されたセルの抵抗負荷をゼロ(短絡)から非常に高い値(開放回路)まで連続的に増加させることにより、V×Iを最大にする点である最大電力点を決定することができる。 すなわち、セルがそのレベルの照射で最大の電力を供給することができる負荷である。 (短絡回路と開放回路の両方で出力電力はゼロです)。

高品質の単結晶シリコン太陽電池は、25℃のセル温度で0.60Vの開放回路(VOC)を生成する可能性があります。 全天候下の気温は25℃の気温であっても、おそらく45℃に近く、開回路電圧を1セルあたり0.55Vに低減します。 このタイプのセルでは、短絡電流が近づくまで(ISC)、電圧は適度に低下します。 最大電力(セル温度45℃)は、通常、開回路電圧の75%〜80%(この場合は0.43V)と短絡電流の90%で生成されます。 この出力は、VOC x ISC製品の最大70%です。 セルからの短絡電流(ISC)は照度にほぼ比例しますが、開回路電圧(VOC)は10%低下するだけで、照度は80%低下します。 低品質セルは、電流が増加するにつれて電圧がより急速に低下し、1 / 2ISCで1/2のVOCのみを生成する可能性がある。 したがって、使用可能な電力出力は、VOC x ISC製品の70%から50%またはわずか25%まで低下する可能性がある。 負荷曲線を与えずに太陽電池「電力」をVOC x ISCとして評価するベンダーは、実際の性能を大きく歪める可能性があります。

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光起電力の最大電力点は、入射照明によって変化する。 例えば、光電池パネル上に埃が蓄積すると、最大電力点が低下する。 余分な費用を正当化するのに十分な大きさのシステムの場合、最大電力点トラッカーは電圧と電流(したがって電力転送)を連続的に測定することによって瞬時電力を追跡し、この情報を使用して負荷を動的に調整し、 、照明の変化にかかわらず。

塗りつぶし係数
太陽電池の全体的な挙動の別の定義用語は、フィルファクター(FF)である。 この係数は、太陽電池の品質の尺度である。 これは、最大電力点(Pm)で利用可能な電力を開回路電圧(VOC)と短絡電流(ISC)で割ったものです。

塗りつぶし係数はIVスイープによってグラフィカルに表すことができます。IVスイープは、異なる矩形領域の比率です。

フィルファクタは、セルのシリーズの値、シャント抵抗およびダイオード損失の値によって直接影響されます。 シャント抵抗(Rsh)を大きくして直列抵抗(Rs)を小さくすると、フィルファクタが高くなり、効率が向上し、セルの出力電力が理論上の最大値に近づきます。

典型的な充填率は50%〜82%の範囲である。 通常のシリコン太陽電池の充填率は80%です。

比較
エネルギー変換効率は、電気出力を入射光パワーで割ることによって測定される。 出力に影響を及ぼす要因には、スペクトル分布、電力の空間分布、温度、および抵抗負荷が含まれます。 IEC規格61215は、細胞の性能を比較するために使用され、標準(陸生、温帯)温度および条件(STC)の周囲に設計される:放射照度は1kW / m 2、太陽放射に近いスペクトル分布はAM(エアマス)1.5、細胞温度25℃。 抵抗負荷は、ピークまたは最大電力点(MPP)が達成されるまで変動する。 この時点での電力はワットピーク(Wp)として記録されます。 PVモジュールの電力および効率の測定には、同じ標準が使用されています。

空気の質量は出力に影響します。 大気が存在しない宇宙では、太陽のスペクトルは相対的にフィルタリングされない。 しかし、地球上では、空気は入射光をフィルタリングし、太陽スペクトルを変化させます。 フィルタリング効果は、宇宙の空気質量0(AM0)から地球の空気質量1.5に及ぶ。 問題の太陽電池の量子効率でスペクトル差を掛けることにより、効率が得られる。 地上効率は通常、空間効率よりも大きい。 例えば、空間内のシリコン太陽電池は、AM0で14%、AM1.5で地球上で16%の効率を有する。 しかし、入射光子の数はかなり多いため、捕捉された入射エネルギー全体のパーセンテージの減少によって示されるように、効率が低いにもかかわらず、太陽電池は宇宙でかなりの電力を生成する可能性があることに注意してください。

太陽電池の効率は、アモルファスシリコンベースの太陽電池では6%から、マルチジャンクション生産セルでは44.0%に、ハイブリッドパッケージに組み立てられた複数のダイでは44.4%までさまざまです。 市販の多結晶Si太陽電池の太陽電池エネルギー変換効率は約14〜19%である。 最高効率のセルは、常に最も経済的ではありませんでした。例えば、ガリウム砒素やセレン化インジウムなどのエキゾチックな材料をベースにした30%効率の高い多接合セルは、8%の効率のアモルファスシリコン大量生産では約4倍の出力しか得られませんでした。

しかし、太陽光を「増やす」方法があります。 光強度を増加させることによって、典型的に光生成キャリアが増加し、効率を最大15%増加させる。 これらのいわゆる「集光器システム」は、高効率GaAsセルの開発の結果として、コスト競争力になり始めたばかりである。 強度の増加は、典型的には集光光学系を用いて達成される。 典型的な集光器システムは、太陽光の6〜400倍の光強度を使用し、AM 1.5〜35%で1太陽GaAsセルの効率を31%から増加させることができる。

経済的コストを表現するために使用される一般的な方法は、送達されたキロワット時(kWh)あたりの価格を計算することです。 利用可能な照射と組み合わせた太陽電池の効率はコストに大きな影響を及ぼしますが、一般的に言えばシステム全体の効率が重要です。 市販の太陽電池(2006年現在)は5〜19%のシステム効率に達しました。

未ドープの結晶シリコンデバイスは、29.43%という理論上の限界効率に近づいています。 2017年には、26.63%の効率が、セルの背面に正と負の両方の接点を配置するアモルファスシリコン/結晶シリコンヘテロ接合セルで達成されました。

エネルギー回収
エネルギー回収時間は、最新の太陽光発電モジュールを製造するために費やされたエネルギーを生成するために必要とされる回復時間として定義される。 2008年にはモジュールのタイプと場所によって1〜4年と見積もられました。 典型的な寿命は20〜30年であり、これは現代の太陽電池が正味のエネルギー生産者であることを意味します。すなわち、生産時に費やされるエネルギーよりも生涯にわたって多くのエネルギーを生成します。 一般に、薄膜技術は、比較的低い変換効率を有するにもかかわらず、従来のシステムよりもかなり短いエネルギー回収時間を達成する(しばしば

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