Panells d'energia
solar fotovoltaica

Instal·lació d'energia solar tèrmica

Planta d'energia solar
termoelèctrica

Eficiència solar

Eficiència solar

Definim l'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques a la proporció d'energia solar que es converteix en energia elèctrica a través de l' energia fotovoltaica.

L'eficiència de les cèl·lules fotovoltaiques és un dels elements que determinen la producció d'una instal·lació d'energia solar fotovoltaica. Els altres factors que determinen el rendiment d'una planta solar són la latitud i el clima.

El valor d'eficiència de conversió d'una cèl·lula fotovoltaica depèn de diversos factors. Cando ens referim a l'eficiència de conversió ens referim implícitament a l'eficiència termodinàmica, a l'eficiència de separació del portador de càrrega, a l'eficiència de reflectància i als valors d'eficiència de conducció. Aquests paràmetres són difícils de mesurar directament, de manera que en el seu lloc es mesuren altres paràmetres, inclosa l'eficiència quàntica, la relació de voltatge de circuit obert i el factor de farciment.

Mètodes tècnics de millora de l'eficiència solar

El refredament radiatiu

Per cada grau centígrad que s'augmenta la temperatura de la cèl·lula solar fotovoltaica l'eficiència solar disminueix al voltant del 0,45%. Per evitar la disminució de l'eficiència solar causa de l'escalfament, es pot aplicar una capa de vidre de sílice visiblement transparent a un panell solar fotovoltaic. La capa vidre de sílice actua com un cos negre tèrmic que emet calor en forma de radiació infraroja a l'espai. Amb aquesta actuació es pot aconseguir baixar la temperatura de la cel·la fotovoltaica fins a 13 graus centígrads.

Promovent la dispersió de la llum en l'espectre visible

A l'revestir la superfície de recepció de llum de la cel amb pals metàl·lics de mida nanomètrica, l'eficiència de la cel pot augmentar substancialment, ja que la radiació solar es reflecteix en aquests pals formant un angle oblic a la cel·la. Aquest canvi de direcció provoca un augment de la longitud del recorregut que pren la llum a través de la cèl·lula solar. Conseqüentment, l'augment del recorregut augmenta el nombre de fotons absorbits per la cèl·lula, i també la quantitat de corrent continu generat.

Els principals materials utilitzats per als nano-espàrrecs són plata, or i alumini, per nomenar alguns. L'alumini és capaç d'augmentar l'eficiència de la cel·la fins a en un 22% (en condicions de laboratori). L'alumini, d'altra banda, absorbeix només la radiació ultraviolada, i reflecteix tant la llum visible com la infraroja, de manera que la pèrdua d'energia es minimitza en aquest front.

No obstant això, l'or i la plata no són molt eficients, ja que absorbeixen gran part de la llum en l'espectre visible, que conté la major part de l'energia present a la llum solar, reduint la quantitat de radiació solar que arriba a la fotocèl·lula.

Escollir el conductor transparent òptim

El costat il·luminat d'alguns tipus de cèl·lules solars, les pel·lícules primes, tenen una pel·lícula conductora transparent que permet que la llum entri al material actiu i reculli els portadors de càrrega generats.

En termes generals, per a aquest propòsit s'utilitzen pel·lícules amb alta transmitància i alta conductància elèctrica, com l'òxid d'indi i estany, els polímers conductors o les xarxes de nanocables conductors. Hi ha una compensació entre l'alta transmitància i la conductància elèctrica, pel que ha de triar-se la densitat òptima dels nanocables conductors o l'estructura de la xarxa conductora per aconseguir una alta eficiència.

Revestiments i textures antireflectants

Els recobriments antireflectants podrien resultar en una interferència més destructiva de les ones de llum incidents del sol. Per tant, tota la llum solar seria transmesa al sistema fotovoltaic.

A més, una altra tècnica utilitzada per reduir la reflexió és la texturització, en la qual la superfície d'una cèl·lula solar s'altera perquè la llum reflectida colpegi de nou la superfície. Aquestes superfícies es poden crear mitjançant gravat o mitjançant litografia. Afegir una superfície plana posterior a més de texturitzar la superfície frontal ajuda a atrapar la llum dins de la cel·la per a una major trajectòria òptica.

Materials de pel·lícula prima

En termes de baixos costos i adaptabilitat a les estructures i estructures existents a la tecnologia, els materials de pel·lícula prima són una molt bona opció per a per a les cèl·lules fotovoltaiques.

No obstant això, com els materials són tan prims, no tenen l'absorció òptica que tenen les cèl·lules solars de material a granel. Si bé els intents de corregir aquest problema s'han intentat, el més important és l'enfocament en la recombinació de la superfície de la pel·lícula prima.

Atès que aquest és el procés de recombinació dominant de les cèl·lules solars de pel·lícula prima a nanoescala, és crucial per a la seva eficiència solar. Afegir una capa prima pasivante de diòxid de silici podria reduir la recombinació.

Passivació de la superfície posterior

Tot i que s'han realitzat moltes millores a la part frontal de les cèl·lules fotovoltaiques per a la producció en massa d'energia solar, la superfície posterior d'alumini frena les millores en l'eficiència.

L'eficiència de moltes cèl·lules solars s'ha beneficiat en crear les anomenades cèl·lules passives i emissores passives. La deposició química d'una pila de capes de passivació dielèctrica de la superfície posterior que també està feta d'una prima pel·lícula de sílice o d'òxid d'alumini coberta amb una pel·lícula de nitrur de silici ajuda a millorar l'eficiència en les cèl·lules solars de silici en més de l'1%.

Això ajuda a augmentar l'eficiència solar de la cel per al material de hòstia de Cz-Si comercial al 20.2% i l'eficiència de la cel per a gairebé mono-Si a un rècord de 19.9%.

Factors que afecten l'eficiència de conversió d'energia

Per analitzar els factors que influeixen en l'eficiència solar ens podem referències en energètica ens els factors que afecten l'eficiència de conversió d'energia que William Shockley i Hans Queisser van exposar en un article històric en 1961.

Factor de farciment

Un altre terme definitori en el comportament general d'una cèl·lula solar és el factor de farciment. Aquest factor és una mesura de la qualitat d'una cèl·lula solar. Aquesta és la potència disponible en el punt de màxima potència dividida per la tensió de circuit obert i el corrent de curtcircuit.

El factor de farciment es veu directament afectat pels valors de la sèrie de la cel·la, les resistències en derivació i les pèrdues de díodes. L'augment de la resistència de la derivació i la disminució de la resistència en sèrie condueixen a un factor de farciment més alt, el que resulta en una major eficiència i sobre la potència de sortida de la cel·la al seu màxim teòric.

Els factors d'ompliment típics van des 50% a 82%. El factor d'ompliment per a una cel·la fotovoltaica de silici normal és del 80%.

Límit d'eficiència termodinàmica i límit de pila infinita

Si un té una font de calor a la temperatura Ts i un dissipador de calor més fred a la temperatura Tc, el valor teòricament màxim possible per a la relació de treball (o potència elèctrica) obtinguda a la calor subministrat és 1- Tc / Ts, donat per un motor tèrmic de Carnot.

Si prenem 6000 kelvin per a la temperatura del sol i 300 graus kelvin per les condicions ambientals a la terra, això arriba al 95%. El 1981, Alexis de Vós i Herman Pauwels van mostrar que això es pot aconseguir amb una pila d'un nombre infinit de cel·les amb intervals de banda que van des de l'infinit (les primeres cel·les trobades pels fotons entrants) fins a zero, amb un voltatge en cada cel·la molt proper al voltatge de circuit obert, igual a 95% de l'interval de banda d'aquesta cel·la, i amb 6000 kelvin de radiació de cos negre provinent de totes les direccions.

Punt de màxima potència

Una cèl·lula solar pot operar en un ampli rang de voltatges (V) i intensitats de corrent (I). En augmentar la càrrega resistiva en una cel·la irradiada contínuament des de zero (un curtcircuit) fins a un valor molt alt (un circuit obert), es pot determinar el punt de màxima potència, el punt que maximitza V × I; és a dir, la càrrega per a la qual la cel·la pot lliurar la màxima potència elèctrica a aquest nivell d'irradiació.

El punt de màxima potència d'una fotovoltaica varia amb la il·luminació incident. Per exemple, l'acumulació de pols en els panells fotovoltaics redueix el punt de màxima potència. Per a sistemes prou grans com per a justificar la despesa addicional, un rastrejador de punt de màxima potència rastreja la potència instantània mesurant contínuament el voltatge i el corrent (i, per tant, la transferència de potència), i utilitza aquesta informació per ajustar dinàmicament la càrrega de manera que la potència màxima està sempre transferit, independentment de la variació en la il·luminació.

Eficiència màxima

No obstant això, els sistemes fotovoltaics normals només tenen una unió pn i, per tant, estan subjectes a un límit d'eficiència inferior, denominat "eficiència màxima" per Shockley i Queisser. Els fotons amb una energia per sota de l'interval de banda del material absorbent no poden generar un parell d'orificis d'electrons, pel que la seva energia no es converteix en sortida útil, i només genera calor si s'absorbeix. Per fotons amb una energia per sobre de la banda d'energia, només una fracció de l'energia per sobre de la banda es pot convertir en sortida útil. Quan s'absorbeix un fotó de major energia, l'excés d'energia sobre la banda es converteix en energia cinètica de la combinació de portadors. L'excés d'energia cinètica es converteix en calor mitjançant el fonó. Interaccions com l'energia cinètica dels portadors disminueix a la velocitat d'equilibri. Les cèl·lules tradicionals d'unió única amb una banda òptima per a l'espectre solar tenen una eficiència teòrica màxima del 33,16%, el límit de Shockley-Queisser.

Les cèl·lules solars amb materials absorbents de separació de banda múltiple milloren l'eficiència en dividir l'espectre solar en dipòsits més petits, on el límit d'eficiència termodinàmica és més gran per a cada recipient.

Eficiència quàntica

Quan un fotó és absorbit per una cèl·lula solar fotovoltaica, pot produir un parell d'orificis d'electrons. Un dels transportistes pot arribar a la unió pn i contribuir al corrent produïda per la cèl·lula solar; es diu que tal portador és recollit. O bé, els portadors es recombinen sense una contribució neta al corrent cel·lular.

L'eficiència quàntica es refereix al percentatge de fotons que es converteixen en corrent elèctric (és a dir, portadors recol·lectats) quan la cel s'opera en condicions de curtcircuit. L'eficiència quàntica "externa" d'una cèl·lula solar de silici inclou l'efecte de pèrdues òptiques com la transmissió i la reflexió.

En particular, es poden prendre algunes mesures per reduir aquestes pèrdues. Les pèrdues per reflexió, que poden representar fins al 10% de l'energia incident total, poden reduir-se dràsticament utilitzant una tècnica anomenada texturització, un mètode d'atrapament de llum que modifica la trajectòria de llum mitjana.

valoración: 3 - votos 1

Última revisió: 8 de febrer de 2019

Tornar